碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的探討

李偉

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門分公司（361000）

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的探討

李偉

鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門分公司（361000）

碳纖維材料是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，日本、美國等發(fā)達(dá)國家最先將碳纖維用在混凝土結(jié)構(gòu)加固中。近年來，各個(gè)國家都在大力研究碳纖維技術(shù)。文章探討了碳纖維材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的特點(diǎn)、工藝流程、施工方法及質(zhì)量控制要點(diǎn)。

碳纖維；混凝土結(jié)構(gòu)；施工工藝；加固

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上，高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，具有耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度是常用建筑材料鋼筋的十幾倍。將其應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中，碳纖維通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)在混凝土結(jié)構(gòu)表面，使碳纖維材料與原來混凝土結(jié)構(gòu)融為一體，利用碳纖維強(qiáng)抗拉性能增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。

1 碳纖維的特點(diǎn)

碳纖維材料，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：第一，碳纖維材料材質(zhì)輕，抗拉強(qiáng)度大。用碳纖維材料制作的合成材料比重是普通鋼鐵材料的五分之一，是一種質(zhì)地比較輕的材料。碳纖維的抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的8～10倍，將其與混凝土結(jié)構(gòu)混黏結(jié)在一起，能夠提高混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。第二，抗腐蝕性好。碳纖維遇到一般的有機(jī)溶劑、酸、堿物質(zhì)不溶不脹，不會(huì)生銹，耐腐蝕性能好，將其應(yīng)用在混凝土加固結(jié)構(gòu)中，能夠防止酸、堿、鹽、水以及有機(jī)物質(zhì)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，起到保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的作用，減少混凝土結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用。第三，耐老化性。碳纖維具有耐油、耐高溫、抗輻射、吸收有害有毒氣體等作用，長期在-54～80℃的溫度環(huán)境下強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化。第四，外形美觀，保持原狀。碳纖維材料黏附在材料表面，不會(huì)改變構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，粘貼后厚度為1 mm，每m2的重量不足1 kg，對混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸和自重不會(huì)產(chǎn)生影響。第五，施工簡單方便，效率高。碳纖維材料比較輕，在一個(gè)比較狹小的空間也能操作，施工占用的面積比較小，不會(huì)影響房間的正常使用。材料切割方便，不需要大型的設(shè)備進(jìn)行切割，也不需要螺栓、螺釘固定，所以簡化了施工流程。第六，碳纖維材料不僅具備普通碳材料的特性，還可以加工成各種織物。

2 碳纖維的適用范圍

碳纖維是國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工中重要的戰(zhàn)略物資，隨著碳纖維技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，碳纖維材料應(yīng)用在航天航空、機(jī)械、化工、電子、體育、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。碳纖維加固應(yīng)用在建筑工程中，適用橋梁隧道、民用建筑的混凝土梁、柱、剪力墻結(jié)構(gòu)、襯砌、罐體等各種建筑結(jié)構(gòu)形狀、建筑類型和各種結(jié)構(gòu)部位。

3 碳纖維加固工藝流程及施工方法

3.1 工藝流程

碳纖維加固工藝流程大致為：混凝土表面處理→土涂底層樹脂→找平→涂導(dǎo)線浸漬樹脂→粘貼碳纖維布→養(yǎng)護(hù)→涂裝→加固工程驗(yàn)收。

3.2 施工方法

3.2.1 混凝土表面處理

碳纖維加固施工前，必須對混凝土表面進(jìn)行處理卸去部分荷載，讓碳纖維粘貼結(jié)構(gòu)承受荷載減少到最小。混凝土表面處理遵守以下幾點(diǎn)：

1）混凝土裂縫。如果混凝土裂縫寬度小于0.2 mm，則用環(huán)氧樹脂對表面進(jìn)行涂抹封閉；如果混凝土裂縫大于0.2 mm，則用環(huán)氧樹脂灌注裂縫。

2）清理混凝土表面破損和殘缺的部位，讓混凝土表面保持平整。

3）檢查混凝土結(jié)構(gòu)外部鋼筋是否有腐蝕的現(xiàn)象，如果有腐蝕立即進(jìn)行處理。

4）對清除、剔鑿、漏筋構(gòu)件的破損部位，用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，讓構(gòu)件表面保持平整。

5）混凝土結(jié)構(gòu)表面凸出的部分要剔除，打磨平整。對棱角的部位，用磨光機(jī)磨成圓角，圓角半徑必須大于30 mm。

6）混凝土表面修復(fù)平整以后，用吹風(fēng)機(jī)吹干凈表面的灰塵，并用水和酒精清潔表面，讓表面保持干燥。

3.2.2 涂底層樹脂

首先將涂料按比例配置好，然后用滾筒刷均勻的將底層涂料涂刷在混凝土表面，等樹脂涂料干燥以后才能進(jìn)行下一步施工。底層樹脂涂抹干燥以后，部分表面會(huì)出現(xiàn)凸起的現(xiàn)象，用砂布磨平。

3.2.3 找平

用整平膠料找平，混凝土表面凹陷部位用膠料修補(bǔ)平整，在模板接頭等高差大的地方用整平膠料填補(bǔ)。其次對混凝土材料的轉(zhuǎn)角處進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)角處用整平膠料修補(bǔ)，將其修補(bǔ)成為一個(gè)光滑的圓弧，其半徑不小于10 mm，整平膠料固化干燥以后才能進(jìn)行下一步的施工。整平膠料的固化時(shí)間根據(jù)施工環(huán)境溫度確定，一般大于3 h。

3.2.4 涂導(dǎo)線浸漬樹脂

浸漬樹脂是整個(gè)加固混凝土的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接底膠和碳纖維布的關(guān)鍵材料。通過浸漬樹脂，將碳纖維布粘貼在混凝土表面，經(jīng)過碾壓以后，讓浸漬樹脂浸透到碳纖維中，讓其形成一個(gè)整體，共同抵御外力。浸漬樹脂必須具有良好的滲透性和粘合力，確保碳纖維材料與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合成受力整體，從而達(dá)到加固的目的。表1為樹脂的主要性能指標(biāo)：

表1 樹脂的主要性能指標(biāo)

3.2.5 粘貼碳纖維布

按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸裁剪碳纖維布，一般碳纖維布的長度在3 m以內(nèi)，特殊情況除外。然后按照配置的比例將樹脂的主劑和固化劑配比稱重，裝入容器后均勻的攪拌，碳纖維片長方向的片材的接頭搭接長度必須在10 cm以上，搭接部位要多涂抹樹脂，材料的寬度方向不需要搭接。貼片前，必須用滾筒均勻性涂刷需要粘貼的環(huán)氧樹脂，貼片時(shí)要確保材料之間的密實(shí)度，纖維片和樹脂之間不能殘留空氣。在貼片的時(shí)候可以用專用的工具羅拉沿著纖維的方向在材料片上多次滾壓，讓樹脂滲透到纖維內(nèi)，去除氣泡，多層粘貼時(shí)要重復(fù)以上步驟，粘貼以后必須等碳纖維材料干燥以后才能進(jìn)行下一層的碳纖維布粘貼工作。最外層的碳纖維層表面要均勻涂抹一層粘貼膠料，防止加固層被損壞。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

所有碳纖維材料進(jìn)入施工現(xiàn)場的時(shí)候，施工人員要對材料以及配套樹脂粘接材料進(jìn)行檢查，檢查材料是否有合格證、出廠證明，并對材料進(jìn)行抽樣檢測。只有經(jīng)過檢驗(yàn)以后，確定材料符合施工要求，才能施工。粘貼碳纖維片的時(shí)候，碳纖維片要大于原來混凝土結(jié)構(gòu)的面積，但是粘貼的位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不能太大，控制在10 mm以內(nèi)。施工以后要對碳纖維片材與混凝土結(jié)構(gòu)粘貼的質(zhì)量進(jìn)行檢查，輕輕按壓或者用小錘子敲打粘接好的材料表面，粘接材料的有效面積不能少于95%,如果粘接材料的空鼓面積大于10 000 mm，則要將空鼓面積全部切除，然后重新粘接材料。如果小于10 000 mm,則可以直接在空鼓內(nèi)注射樹脂。碳纖維具有導(dǎo)電性,所以要遠(yuǎn)離電源和電氣設(shè)備，與其配套的樹脂要密封處理，避免陽光直射，并遠(yuǎn)離火源。

5 小結(jié)

碳纖維材料具有高彈性模量、高抗拉強(qiáng)度以及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),將其運(yùn)用在混凝土加固結(jié)構(gòu)中，施工方便，能夠適應(yīng)各種各種結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，并封閉混凝土裂縫,在不增加混凝土結(jié)構(gòu)自重的情況下，提高混凝土的抗震、抗剪切力。

[1]唐建軍,朱小林.探討結(jié)構(gòu)碳纖維加固施工技術(shù)措施[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）,2015(8)：745-746.