混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維布加固設(shè)計案例思考

馬健

摘要：碳纖維布加固技術(shù)是一種較為新型的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，因其所具有的成本低廉、操作簡單等優(yōu)勢已經(jīng)應(yīng)用的越來越普遍，并且為相關(guān)企業(yè)帶來了很豐厚的經(jīng)濟回報。文章主要結(jié)合案例分析了混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維布加固技術(shù)，提出了在混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維布加固設(shè)計中需要注意的一些事項，希望可以供設(shè)計和工程施工人員參考。

關(guān)鍵詞：碳纖維;加固;混凝土結(jié)構(gòu)

前言

伴隨著我國科技水平的快速發(fā)展，我國材料科學也在迅速發(fā)展，將纖維材料應(yīng)用在工程建設(shè)中也逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點，存在于纖維材料中的碳纖維在加固混凝土結(jié)構(gòu)的工程上有著很顯著的優(yōu)勢。比如碳纖維布所具有的高效高強功能，可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和延展性，改善結(jié)構(gòu)的受力性能，從而達到高效加固的目的。在當前的很多工程建設(shè)中，碳纖維布的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，尤其是在混凝土結(jié)構(gòu)的加固補強工程中，碳纖維布的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。

一、碳纖維布加固技術(shù)簡介

（一）碳纖維布加固技術(shù)的含義

碳纖維布加固技術(shù)指的是把碳纖維這種高性能的纖維材料應(yīng)用在土木工程建設(shè)中，利用和其相配套的樹脂類粘結(jié)劑（建筑結(jié)構(gòu)膠）把碳纖維粘貼到結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件上需要加固的部位，在其表面形成復(fù)合材料體，通過其和結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的相互配合，來提高加固結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力和延性的一種比較新型的加固方法。在經(jīng)過碳纖維布加固技術(shù)加固的混凝土結(jié)構(gòu)，不管是在荷載能力上，還是在極限承載力上都會有非常明顯的提高，而且碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工也比較簡單，技術(shù)容易操作，從經(jīng)濟方面來考慮的話，成本也比較低。這也是為什么現(xiàn)在很多混凝土結(jié)構(gòu)在進行加固時，都采用碳纖維布加固的重要原因。

（二）碳纖維布加固的原理

用于混凝土結(jié)構(gòu)加固的碳纖維布材料一般都具有優(yōu)良的力學性能，抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍甚至幾十倍。但是，在碳纖維材料編織成碳纖維布之后，其中的各個碳纖維絲有時候很難完全的共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲就會先達到抗拉強度并且退出工作狀態(tài)，這種情況延續(xù)下去，各個碳纖維絲就會慢慢斷裂，直到整體都破壞。而如果使用粘結(jié)劑之后，各個碳纖維絲因為粘結(jié)在一起，就可以很好的合作，共同完成工作，這就更加大了碳纖維布的抗拉強度，所以，在使用碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)時，必須要同時使用粘結(jié)劑，這一點是非常關(guān)鍵的。只有這樣才能確保各個碳纖維絲一起工作，從而達到加固建筑物的目的。

二、混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維布加固設(shè)計案例分析

（一）案例概況

在XX市某小區(qū)2#住宅樓交付使用三年之后，五層的現(xiàn)澆樓板發(fā)現(xiàn)許多主應(yīng)力方向裂縫。裂縫最寬的達到了3mm，這引起了很多居民的擔心。造成此問題的主要原因是拆模過早，并且在混凝土強度增長初期就開始了屋面焦渣保溫層的施工，導(dǎo)致拆模時混凝土的強度沒有達到屋面焦渣保溫層的荷載需要。在經(jīng)過仔細考慮和分析之后，決定采用兩層碳纖維布來加固。

（二）材料準備

1、主要材料

底膠、粘結(jié)膠、碳纖維布。

2、輔助工具和輔助材料

專用滾筒、剪刀、刮板、磨光機、鑿子、臺秤、灰刀、榔頭、丙酮。

3、搭設(shè)腳手架

根據(jù)安全施工的要求，搭設(shè)好腳手架，搭設(shè)的高度以方便施工為前提。

（三）主要的施工工藝

1、基層清理

采用混凝土磨光機、砂紙等機具把混凝土表面1-2mm的浮漿、油污等雜質(zhì)清理干凈，再用丙酮把混凝土的表面清洗干凈。

2、涂底膠

在混凝土表面清洗干凈之后，要涂抹一層底膠。注意涂抹一定要均勻。并且調(diào)好的底膠要在規(guī)定的時間內(nèi)用完，否則底膠就會失去功能，產(chǎn)生浪費。一般情況下，在40分鐘之內(nèi)用完即可。

3、粘貼碳纖維布

根據(jù)碳纖維布的使用說明，把各個組份的粘結(jié)膠在干凈的容器中均勻調(diào)和，用刮板把調(diào)好的膠均勻的涂抹在底膠上需要粘貼碳纖維布的地方，隨即把按照設(shè)計要求已經(jīng)裁剪好的碳纖維布粘貼在設(shè)計的部位，然后用專用的滾子沿著碳纖維布的受力方向來回壓，將其中的氣泡擠出來。使得碳纖維布和混凝土可以緊密的結(jié)合。等用手指感覺表面干燥后，可以進行第二層碳纖維布的粘貼，方法和第一層碳纖維布的粘貼方法是一樣的。需要注意的是，碳纖維布的搭接長度一般為100mm，端部要用橫向碳纖維布來固定。

4、做保護層

在兩層碳纖維布粘貼完，并且指壓干燥之后，再刮涂一層面膠，來回的滾壓，使面膠可以充分滲入到碳纖維布當中。在面膠干燥之后，表面要做一層保護層，一般情況下，保護層多為防水涂料或者水泥砂漿。

三、混凝土結(jié)構(gòu)碳纖維布加固效果以及注意事項

（一）碳纖維布加固技術(shù)的效果

1、使用碳纖維布來加固混凝土結(jié)構(gòu)時，可以有效提高混凝土表面的承載能力，一般可以提高15%左右。

2、隨著粘貼的碳纖維布的層數(shù)的增加，加固效果也會更強，但是層數(shù)的增加和混凝土結(jié)構(gòu)的承載力的提高并不是呈現(xiàn)正比關(guān)系的，如果粘貼2層以上的碳纖維布時，要考慮到碳纖維絲的共同工作的折減系數(shù)，通常情況下，粘貼的碳纖維布不宜超過3層。

3、由于碳纖維布的抗拉強度存在尺寸效應(yīng)，會隨著碳纖維布的寬度增長度的加大，極限抗拉能力會有一定程度的下降。

4、和沒有加固過的混凝土結(jié)構(gòu)相比，使用碳纖維布加固過后的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等情況的時間會較晚，并且裂縫發(fā)展緩慢，裂縫較多，裂縫寬度也會遠小于沒有加固過的混凝土結(jié)構(gòu)。

（二）碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)需要注意的事項

1、碳纖維布加固的混凝土結(jié)構(gòu)的強度等級不能夠小于C15，工程使用環(huán)境的溫度不能夠大于60℃，如果不能滿足這些要求，要改變加固方法。混凝土結(jié)構(gòu)的粘貼面不能存在浮漿、油污、疏松、蜂窩等。

2、為了保證碳纖維布可以和混凝土實現(xiàn)共同工作，在梁、板的抗彎、抗剪加固中，梁板下的碳纖維布應(yīng)該延伸到支座邊緣。在延伸長度范圍內(nèi)，梁設(shè)U型箍和板

3、在實際的加固工程中，對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固時，除了要保證加固后的極限承載力要滿足要求以外，對其剛度也是有一定要求的。

4、在混凝土加固過程中，纖維是屬于二次受力，因此會存在應(yīng)變滯后的問題，所以在加固施工時，要盡量清除結(jié)構(gòu)上的荷載，以減小纖維應(yīng)變滯后量。

5、為了防止粘結(jié)膠剝離破壞情況的發(fā)生，要注意兩個方面的問題：一是要選擇合適的粘結(jié)膠，二是要保證碳纖維布有足夠的錨固。

6、碳纖維布的一個很重要的力學特點就是抗拉強度高，但利用碳纖維布加固只能起到幫助混凝土結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力的提高，如果原構(gòu)件的截面高度過小的話，截面彎距設(shè)計值過大，那么按照彎距計算的碳纖維布的用量可能會過多，會導(dǎo)致受壓區(qū)的混凝土承載力不足，這個時候，受壓區(qū)混凝土會被壓壞，鋼筋和碳纖維布都不能被充分利用。建議采用提高對構(gòu)件受壓區(qū)混凝土承載能力的辦法，比如加大構(gòu)件上部的混凝土面積，或者在受壓區(qū)粘貼鋼板或碳纖維布等。一些碳纖維產(chǎn)品具有良好的抗壓性能，如果粘貼可靠的話，性能甚至高于鋼板。

7、在實施加固工作時，施工質(zhì)量必須要保證，所以在設(shè)計施工方案時，要有詳細的施工和安全措施，施工過程中要嚴格按照施工組織和施工方案進行。

結(jié)束語

為了進一步規(guī)范碳纖維布使用的相關(guān)技術(shù)，我國制定了相關(guān)的技術(shù)標準和規(guī)程，為碳纖維布加固技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著人們對碳纖維材料的深入研究和認識，碳纖維布的加固技術(shù)將會得到更進一步的發(fā)展和提高，一些技術(shù)的不足也會慢慢被克服，碳纖維材料的性能也會變得更加優(yōu)良，從而在我國的建筑工程中發(fā)揮越來越重要的作用。

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