碳纤维补强加固混凝土结构.doc

碳纤维补强加固混凝土结构碳纤维是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的，特别突出的是具有极高的抗拉强度和弹性模量。碳纤维布制成复合材料后的比重降低至钢铁的五分之一，是非常轻质的材料。同时，&考&试大$碳纤维又是一种力学性能优异的新材料。工程用的碳纤维是以高纯度的聚丙烯腈（PAN）为原料经过高温碳化等特殊工艺加工成极细的纤维丝，使一定量纤维的表面积增大很多，更利于加强与树脂胶的结合。施工中，树脂胶充分进入纤维之间，将各条纤维丝完全包裹起来，形成物理性能优异的复合材料。测试证明，碳纤维的抗拉强度可达4500N/mm2以上，形成复合材料后为3500N/mm2以上，分别是普通合金结构钢的9倍和7倍左右。碳纤维复合材料的弹性模量略高于普通钢材，碳纤维材料还具有优异的抗腐蚀性，对空气中氯离子含量高的沿海地区的结构加固工程特别适用。 碳纤维增强水泥：混凝土、水泥灰浆、水泥砂浆系列材料价格低廉，耐火、耐热、耐蚀性能优良，压缩强度也高，因此在土木建筑、海洋工程方面被大量使用。碳纤维增强水泥复合材料，在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂，其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性比不增强的高几倍到十几倍。其耐冲击性也得到改善。 由它制成的构件尺寸稳定，同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能，因而这些技术近年来得到较快发展。国外用碳纤维增强水泥的典型例子是：伊拉克巴格达建成的ALShaheecl纪念碑，在此大型建筑结构上全面使用了碳纤维增强水泥；日本东京的37层的ARK事务所大楼外墙装修的幕墙，由碳纤维增强水泥灰浆制造。此后日本又陆续在大型建筑物上应用，并应用到桥梁建设中。 当前工程结构加固主要是应用碳纤片材。&考&试大$碳纤片材：有板状和布状编物两种，碳纤布更能适应不同结构外形的需要。碳纤布性能优劣除强度指标外，很重要的一点是对粘结剂的渗透性，和对粘结剂的消泡性能，这主要取决于碳纤布的编织技术，有些片材未经编织或无间隙，均会影响粘贴效果。主要的使用方法是将浸透了树脂胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土的受拉部位，如桥板的底面、梁体或桥墩的表面，并使其与混凝土结合成为一体，从而达到加固结构的目的。本方法还被广泛地用于隧道衬砌、建筑物的梁、柱等混凝土结构的加固补强工程。国内工程界已注意到此新兴的领域，各高等院校竞相投入在量人力和资金，成立课题组进行专题研究，相应设计规范正在审批中。近年国内许多加固工程已相继采用碳纤布进行加固，遍及建筑结构和铁路、公路桥梁，如广州古建筑六榕塔、广州市某立交简支梁桥、某高架路预应力箱梁、某高架路墩柱、海口市人民桥等；碳纤布加固突出的优点是加固后基本上不改变结构的外形，稍作处理则类似装修，在某五星级宾馆的梁板加固中被优先采用；但总的来说碳纤加固技术的应用在我国仍处于起步阶段，据有关报道，去年广州全年碳纤布用量仅为数千平米，相对于大量有待维修加固的桥梁和建筑物这是一个十分小的数字，应用前景应是很广阔的。 碳纤棒材：代替钢筋用于特种建筑结构，还在研究阶段。 1.碳纤维布主要性能碳纤维布的品质规格： 2.碳纤树脂粘结剂： 一般采用环氧树脂基的高分子树脂，要求其物理力学性质优异，具有适宜的粘度、高粘结强度、高韧性，渗透性强。 3.粘结树脂系列： 包括底胶（primer）、树脂腻子（putty），底胶要求渗透力强，提高混凝土的表面强度，促使粘结剂与混凝土的有效连接；树脂腻子的作用是修复不平的粘结面，使碳纤保持与粘贴面的全接触。 4.主要施工工艺： （1）表面处理：除掉混凝土表面强度较弱的风化层、污物、脱模剂层、浮浆； （2）截面修复（处理不平整处）：打磨混凝土表面不平滑的凹凸面，整平，消除阶梯状部分的落差；棱角打磨圆滑，半径不小于20mm； （3）涂布底胶： （4）整平贴合面：用树脂腻子（PUTTY）刮抹在不平整的混凝土表面，以消除所有缝隙和不平之处；（5）贴合碳纤维布：将粘结剂涂刷在选定的区域，均匀摊铺，将成卷的碳纤维布铺到上面，边用脱泡辊子沿纤维方向碾压。在整段碳纤维布完全贴合到混凝土表面之后，再用消泡辊子反复碾压，以除去纤维丝之间的空气，使粘结剂包裹纤维丝，达到将纤维浸渍在胶里的目的。然后再涂一层粘结剂。 5.设计：5.1适用范围： （1）钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件抗弯加固； （2）钢筋混凝土梁柱构件的抗剪加固； （3）混凝土柱的抗震加固； （4）砌体的抗震加固； 5.2一般原则： （1）设计时将碳纤维布按强度换算成钢筋量，按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样地方法进行计算。合成地截面共同抵抗设计外力造成的动载荷及增加的静载荷； （2）计算理论采用极限状态法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算； （3）碳纤维沿钢筋混凝土构件强度不足的主筋方向配置； （4）抗剪加固时可采用封闭式、U形或侧面粘贴；纤维方向与轴线方向宜相垂直； 5.3抗弯构件极限承载力计算的基本假定 （1）受拉区混凝土的作用忽略不计 （2）梁受弯后，混凝土、钢筋、及碳纤应变符合平截面假定； （3）碳纤维材料的应力应变关系：f=Eff6. 构造一般建议： （1）碳纤维应贴于梁的受拉区的下缘，如需要贴于梁侧面时，宜限于1/4梁高的范围，对侧面的碳纤面积应乘以折减系数； （2）碳纤维粘贴层数不宜超过五层；对多层碳纤应考虑共同工作系数的折减，碳纤层数过多将导至混凝土结构的脆性破坏； （3）碳纤维的分条粘贴加固的效果优于整幅粘贴； （4）碳纤维粘贴应有可靠的锚固，锚固长度应通过计算决定，必要时可另加锚固设施； （5）一般来说，在桥板上的加固，需要粘贴至梁腋处； （6）纤维布互相衔接（接长）的部位采取重叠结构，重叠部分长度为不小于10厘米。 来混凝土结构补强技术的新发展碳纤维补强技术碳纤维结构补强技术，是钢筋混凝土结构体外补强的一种新技术，在国外已经成熟，并得到广泛认同。我国由上海毅实建筑加固工程有限公司最先引进。近几年来，公司与高等院校和科研单位等方面合作，经过消化吸收，这项技术在全国许多省市多项工程中成功应用。现在已经形成有口皆碑，用户辗转相传、新用户不断找上门来的局面。很明显，它必将如国外一样，使我国的混凝土结构补强技术得到新的发展。但它为什么会形成结构补强技术的一种新趋势？它的基本原理和方法是怎样的？我们必须从传统补强方法说起。一、混凝土结构的损坏及传统补强方法已建混凝土结构损坏的原因很多，大致有以下几方面：设计不周、施工缺陷：这类问题本应避免，但无法杜绝，且近年因种种 原因层出不穷，有的很严重；年久老化：建国以来和改革开放以来大规模建设的工程正分批陆续接近 寿命期，甚至超期服役；腐蚀：受酸、碱、盐侵害，风化、水的渗透、冻融循环；意外灾害：地震、台风、凌汛、人为撞击、火灾等损坏；超载。以上原因直接导致混凝土粉化、疏松、剥落、开裂和钢筋锈蚀。使结构物裂缝扩展、刚度降低、挠度增大，承载力削弱甚至丧失。以致结构物涉险服役，严重的不堪再用。 因此新世纪开始，我国将出现结构修复补强的浪潮，甚至会持续相当长时间。 过去常使用的传统补强方法，主要有加大截面法、体外预应力法和外包钢板法几种。加大截面法又名外包混凝土法。主要是将截面加宽、加厚、加高，以容纳新增钢筋。此法很有效，但增加结构体积和自重，造成肥梁胖柱、施工工序繁多、用工多、施工期长，且要用大型机械，还必须有很大施工空间；体外预应力法是在梁下加受拉弦杆，和立柱一起形成反拱架，补强效果好但也有上述各种缺点，特别是结构高度增大很多；外包钢板法又称粘钢法，除上述缺陷外，难于紧贴原结构表面，且不耐腐蚀，必须定期防锈。因此，传统补强方法的应用场合受到种种限制，甚至某些条件下无法采用。二、碳纤维补强的方法碳纤维补强的基本材料是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成为碳纤维增强复合材料片材(Carbon Fiber Reinforced Plastics或polymer，简称CFRP)。将片材用专门配制的环氧树脂粘贴在结构受拉面，树脂固化后与原结构形成新的受力复合体，碳纤维片即可与钢筋共同受力。由于碳纤维片分担了荷载，就降低了钢筋的应力，而使结构得到加固补强。高强度碳纤维片的抗拉强度可达3400N/mm2，比钢材高710倍。弹性模量有2.35105N/mm2至3.8105N/mm2等几种，与钢筋相近或略高。因此，有很好的与钢筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各异的环氧树脂料，可以使界面树脂渗入混凝土中，片材紧随构件外形粘贴，粘贴用的树脂料又具有较高粘结强度，能有效传递碳纤维片与混凝土两种材料间的应力，保证不产生界面的粘结剥离。CFRP在交通和建筑工程中的应用(一)梁、板结构补强 各种类型公路、铁路桥梁、桥板和建筑物的梁、板都可应用。1、抗弯补强。碳纤维片贴在受拉一侧，即跨中的下部和连续板、连续梁、悬臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘贴。由于碳纤维片弹性模量比钢筋稍大，受力时延伸率小于钢筋，故在结构受力时先行受力，随荷载逐渐增加达到两者变形协调时，两者共同受力并按一定比例分配。往往在补强前或者因原有钢筋锈蚀造成截面积不足，或因超载原有钢筋应力过大，补强后碳纤维分担了拉力，使钢筋应力大大降低，结构承载力得以提高。抗弯补强时，可以根据受力需要贴一层至多层。还可应用高弹性模量片材，补强效果更显著。2、抗剪补强。通常是在梁靠近端部主拉应力较大的区域和有次梁或较大集中荷载作用的部位。补强时在梁的两侧面竖向粘贴，或与梁底形成U形环包。相当于增加抗剪箍筋以分担原箍筋的剪力。3、抗疲劳补强。工业厂房吊车梁、桥梁及桥面板，都可以粘贴碳纤维片以提高结构的疲劳抗力。桥面板上下同时粘贴效果更好。(二)柱、墩补强对桥墩、高架柱、建筑物独立柱和有翼柱，都可有效补强。1、中心受压柱的抗压补强，用碳纤维在柱中部横向环包，在受压区产生环向束缚作用，能提高抗压能力，降低柱的压屈系数。2、偏心受压柱，在柱受拉弯的侧面沿柱轴纵向粘贴，可有效补强。3、抗震性能补强，在地震或台风的横向力作用下，柱端弯矩和剪力都很大，可以纵向粘贴和环包同时进行。既提高柱、墩横向抗力，又改善能量吸收性能，提高结构的延性，使结构抗侧向力能力显著提高。对于建筑框架结构和与帽梁刚结的桥梁墩柱、高架柱，可以在柱的上下端同时补强，个别上端横向约束较弱者，则可只考虑下端的补强。(三)剪力墙补强，在剪力墙单面或双面沿抗剪配筋方向粘贴碳纤维片。(四)高耸结构，如烟囱、水塔、筒仓、高杆灯架等，受力情况与墩柱类似，补强方法也类同。 (五)环形受力结构，如水池、罐体的抗张力侧壁，可在单侧或双侧缠绕粘贴。(六)涵洞、隧道及衬砌，由于环向压力不均造成横截面各方位应力异常而产生纵向受拉裂缝，甚至衬砌剥落，以及由于地基沉降不均造成的纵向错位，都可采取混凝土局部填补、置换和碳纤维片补强联合应用的办法。(七)封闭和防护功能。用碳纤维片粘贴可以将结构裂缝密闭，较宽较深的裂缝还可在贴片前用环氧树脂灌缝进行密闭，从而控制裂缝的进一步扩展，阻止水分渗入引起钢筋锈蚀，同时还具有增强抗腐蚀性能的作用。这就是在结构补强的同时，也带来了封闭和防护的副效应。相反，有些虽出现破损但承载力尚未降低的结构，也可以封闭和防护维修为主效应，同时也有结构补强的副效应。上述各种补强，以桥梁和一般建筑物的梁板结构补强占大部分，桥梁墩柱的抗震补强次之，其他结构补强只占很少部分。但它们在国外都已得到广泛应用、研究和使用考验。日本各种补强技术已有由建设省或各种团体编制的设计、施工规范。在我国，上海毅实加固公司已成功地在二十多项工程中应用，也编制了企业工法和规范。对于在国外业已成熟的碳纤维补强技术，我们也已成功掌握并积累了实际应用的丰富经验，相信它将在新世纪发挥威力。三、碳纤维补强技术的优越性综上所述，我们将碳纤维补强技术的特点和优越性归纳如下：(一)优异的力学性能，可有效应用于多种形式的结构补强，包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展、增加结构的延性。(二)优异的化学稳定性，使经过补强和维修的结构具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力；具有足够的适应气温变化的能力。易于外加防火涂层后有效地防火。可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命，这是包钢方法不可比拟的。(三)材料的轻质高强，可以不增加结构体积，所增加的结构自重几乎可以忽略。这是传统方法做不到的。(四)施工工序简单，可用小型电动工具操作，不象传统补强方法需要众多工种、大量劳动力、大型施工设备及吊装机械。因而可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施。而且进度快、工期短，更能在持续交通有振动的情况下操作。从而大大缩短工程停工、停止运营或断路施工的时间，极大地降低经济损失和社会影响。(五)由于材料柔软，易于随结构外形粘贴，补强后不改变结构外形，同时便于用所需色彩涂装，而不显露补强痕迹。 随着碳纤维补强技术的优越性在工程领域得到普遍认同，这项技术的应用将会愈来愈广泛。随着有关科研的开展，工程实践经验的积累，新应用领域的进一步探索与开拓，这项技术将更加成熟，更加完善。我们上海毅实加固公司希望与各位同行开展更有效而广泛的合作。众志成城，这项技术的应用必将呈现出更加广阔的前景。碳纤维补强加固混凝土结构碳纤维是目前世界上已知的工程材料中比强度最高的，特别突出的是具有极高的抗拉强度和弹性模量。碳纤维布制成复合材料后的比重降低至钢铁的五分之一，是非常轻质的材料。同时，碳纤维又是一种力学性能优异的新材料。工程用的碳纤维是以高纯度的聚丙烯腈（PAN）为原料经过高温碳化等特殊工艺加工成极细的纤维丝，使一定量纤维的表面积增大很多，更利于加强与树脂胶的结合。施工中，树脂胶充分进入纤维之间，将各条纤维丝完全包裹起来，形成物理性能优异的复合材料。测试证明，碳纤维的抗拉强度可达4500N/mm2以上，形成复合材料后为3500N/mm2以上，分别是普通合金结构钢的9倍和7倍左右。碳纤维复合材料的弹性模量略高于普通钢材，碳纤维材料还具有优异的抗腐蚀性，对空气中氯离子含量高的沿海地区的结构加固工程特别适用。碳纤维增强水泥：混凝土、水泥灰浆、水泥砂浆系列材料价格低廉，耐火、耐热、耐蚀性能优良，压缩强度也高，因此在土木建筑、海洋工程方面被大量使用。碳纤维增强水泥复合材料，在承受负荷时表面不再产生肉眼可见的龟裂，其拉伸强度和弯曲强度、弯曲韧性比不增强的高几倍到十几倍。其耐冲击性也得到改善。由它制成的构件尺寸稳定，同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能，因而这些技术近年来得到较快发展。国外用碳纤维增强水泥的典型例子是：伊拉克巴格达建成的ALShaheecl纪念碑，在此大型建筑结构上全面使用了碳纤维增强水泥；日本东京的37层的ARK事务所大楼外墙装修的幕墙，由碳纤维增强水泥灰浆制造。此后日本又陆续在大型建筑物上应用，并应用到桥梁建设中。当前工程结构加固主要是应用碳纤片材。碳纤片材：有板状和布状编物两种，碳纤布更能适应不同结构外形的需要。碳纤布性能优劣除强度指标外，很重要的一点是对粘结剂的渗透性，和对粘结剂的消泡性能，这主要取决于碳纤布的编织技术，有些片材未经编织或无间隙，均会影响粘贴效果。主要的使用方法是将浸透了树脂胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土的受拉部位，如桥板的底面、梁体或桥墩的表面，并使其与混凝土结合成为一体，从而达到加固结构的目的。本方法还被广泛地用于隧道衬砌、建筑物的梁、柱等混凝土结构的加固补强工程。国内工程界已注意到此新兴的领域，各高等院校竞相投入在量人力和资金，成立课题组进行专题研究，相应设计规范正在审批中。近年国内许多加固工程已相继采用碳纤布进行加固，遍及建筑结构和铁路、公路桥梁，如广州古建筑六榕塔、广州市某立交简支梁桥、某高架路预应力箱梁、某高架路墩柱、海口市人民桥等；碳纤布加固突出的优点是加固后基本上不改变结构的外形，稍作处理则类似装修，在某五星级宾馆的梁板加固中被优先采用；但总的来说碳纤加固技术的应用在我国仍处于起步阶段，据有关报道，去年广州全年碳纤布用量仅为数千平米，相对于大量有待维修加固的桥梁和建筑物这是一个十分小的数字，应用前景应是很广阔的。碳纤棒材：代替钢筋用于特种建筑结构，还在研究阶段1.碳纤维布主要性能，碳纤维布的品质规格测试项目测试方法(JIS R)单位规格值NAC-700-20NAC-700-30NAC-700HM单位面积重量7602g/ m2200225300325300325比重7601-1.800.041.840.04抗拉强度7601N/mm2 4500以上3700以上拉伸杨氏模量7601N/mm2(23010)103(43020)103 形成符合材料地品质规格测试项目测试方法(JIS K)单位规格值NAC-700-20 NAC-700-30NAC-700HM抗拉强度7073N/mm23500以上3500以上3500以上拉伸杨氏模量7073N/mm2(23030)103(43030)1032. 碳纤树脂粘结剂：一般采用环氧树脂基的高分子树脂，要求其物理力学性质优异，具有适宜的粘度、高粘结强度、高韧性，渗透性强。某公司的粘结剂各项指标如下：测试项目测试方法(JIS K)单位规格值抗弯强度7203N/mm240以上抗拉强度7113N/mm230以上拉剪强度6850N/mm210以上3. 粘结树脂系列：包括底胶（primer）、树脂腻子(putty)，底胶要求渗透力强，提高混凝土的表面强度，促使粘结剂与混凝土的有效连接；树脂腻子的作用是修复不平的粘结面，使碳纤保持与粘贴面的全接触。4.主要施工工艺：(1)表面处理：除掉混凝土表面强度较弱的风化层、污物、脱模剂层、浮浆；(2)截面修复（处理不平整处）：打磨混凝土表面不平滑的凹凸面，整平，消除阶梯状部分的落差；棱角打磨圆滑，半径不小于20mm；(3)涂布底胶：(4)整平贴合面：用树脂腻子（PUTTY）刮抹在不平整的混凝土表面，以消除所有缝隙和不平之处；(5)贴合碳纤维布：将粘结剂涂刷在选定的区域，均匀摊铺，将成卷的碳纤维布铺到上面，边用脱泡辊子沿纤维方向碾压。在整段碳纤维布完全贴合到混凝土表面之后，再用消泡辊子反复碾压，以除去纤维丝之间的空气，使粘结剂包裹纤维丝，达到将纤维浸渍在胶里的目的。然后再涂一层粘结剂。5.设计5.1 适用范围：(1)钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件抗弯加固；(2)钢筋混凝土梁柱构件的抗剪加固；(3)混凝土柱的抗震加固；(4)砌体的抗震加固；5.2 一般原则:(1)设计时将碳纤维布按强度换算成钢筋量，按照与钢筋混凝土构件抗弯计算同样地方法进行计算。合成地截面共同抵抗设计 外力造成的动载荷及增加的静载荷；(2)计算理论采用极限状态法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算；(3)碳纤维沿钢筋混凝土构件强度不足的主筋方向配置；(4)抗剪加固时可采用封闭式、U形或侧面粘贴；纤维方向与轴线方向宜相垂直；5.3 抗弯构件极限承载力计算的基本假定(1)受拉区混凝土的作用忽略不计(2)梁受弯后，混凝土、钢筋、及碳纤应变符合平截面假定；(3)碳纤维材料的应力应变关系：f=Eff6.构造一般建议:(1)碳纤维应贴于梁的受拉区的下缘,如需要贴于梁侧面时,宜限于1/4梁高的范围,对侧面的碳纤面积应乘以折减系数； (2)碳纤维粘贴层数不宜超过五层；对多层碳纤应考虑共同工作系数的折减，碳纤层数过多将导至混凝土结构的脆性破坏； (3)碳纤维的分条粘贴加固的效果优于整幅粘贴；(4)碳纤维粘贴应有可靠的锚固，锚固长度应通过计算决定，必要时可另加锚固设施； (5)一般来说，在桥板上的加固，需要粘贴至梁腋处；(6)纤维布互相衔接（接长）的部位采取重叠结构，重叠部分长度为不小于10厘米。碳纤维布加固工程施工, 芳纶布加固工程施工,碳纤维板加固工程施工大批已有建筑物由于种种原因，诸如自然灾害作用、环境侵蚀、荷载增加、结构用途改变、更新设计标准和提高结构可靠度等，存在承载力和耐久性不足或使用功能不满足要求。为了改善这些结构的使用功能，提高承载力，延长使用年限，考虑环境保护和经济效益等综合因素，在许多情况下进行加固修复比重建更合理，特别是在使用快速、高效、简便的加固工艺的情况下，更具有优越性；因此工程技术人员把目光更多地投向采用新型复合材料维修加固上来。与传统的加固修补技术相比，纤维材料加固修补技术具有明显的技术优势。主要体现在以下几个方面： （1）高效高强。 （2）具有良好的耐久性和耐腐蚀性。 （3）适用面广。芳纶纤维加固修补技术可广泛应用于各种结构类型（如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等），各种结构形状（如矩形、圆形、曲面结构等），各种结构部位（如梁、柱、板、拱、壳、墩等）的加固修补，而且不改变结构形状，不影响结构的外观。尤其重要的是，对于一些大型的土木工程结构，如大型桥梁的桥墩、桥梁及桥面板、隧道、大型简体及壳体结构等，采用原有的传统加固方法几乎无法实施，而采用该技术都可以很顺利的解决。 （4）施工便捷。施工工效高，没有湿作业，不需要大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少。 （5）施工质量容易保证。 （6）对结构无额外的负担。纤维材料质量轻而且很薄，加固修补后，基本不增加原结构自重和原构件尺寸。 芳纶纤维复合材料作为纤维增强塑料的一种，除了具有上述优点外，还具有独有的特点：具有良好的抗冲击和耐疲劳性能，良好的介电性（非导电性、非磁性）等，因此人们越来越多地采用外粘芳纶布补强加固结构。 目前应用于结构补强的外粘芳纶纤维布有养护的纤维条带和未经养护的纤维布，经养护的纤维条带通常05 15mm厚，50200mm宽，由单向纤维经环氧基树脂浸渍而成。未经养护纤维布的名义厚度通常小于lmm，由单向或双向纤维丝构成，采用高性能的环氧粘结剂粘结在构件外表面。 1 外粘芳纶纤维布补强加固混凝土结构 外粘芳纶纤维布首先应用于钢筋混凝土桥的抗弯补强和约束钢筋混凝土柱中，此后外粘芳纶布补强加固技术迅速扩展到砌件结构，木结构乃至金属结构。 11 结构补强性能与特点 111 抗弯补强 当混凝土结构构件不能提供足够的抗弯强度和使用性能时，必须进行加固，此时可选用外粘芳纶纤维布进行补强加固。在梁、柱、板的受拉面粘贴芳纶纤维布，同时使芳纶纤维丝方向与主拉应力方向平行 ，可明显提高梁、柱、板的受弯承载力，并且同时使梁、柱、板裂缝开展受到约束，从而提高构件的抗弯刚度，降低挠度。 对芳纶纤维布补强加固混凝土构件进行分析设计的中心环节是确定构件的失效（破坏）模式。芳纶纤维布抗弯补强混凝土结构存在下述几种失效模式： （1）纵筋（钢筋）屈服芳纶纤维断裂； （2）纵筋（钢筋）屈服混凝土压碎； （3）混凝土压碎； （4）由于混凝土的剪切失效，芳纶纤维片材端部剥离； （5）由于混凝土的剪切斜裂缝造成芳纶纤维片材的剥离（远离片材端部）； （6）由于粘结界面的拉应力很高，发生的芳纶纤维片材端部或弯曲裂缝处剥离； （7）由于混凝土表面不平和粘结不当造成的芳纶纤维片材从混凝土粘结面剥离。 上述破坏模式（2）是令人最为满意的破坏模式，模式（4）和（5）可通过抗剪补强加以防止，模式（6）可通过限制芳纶纤维布的拉应变加以抑制，模式（7）可通过施工质量控制加以解决。设计中不考虑芳纶纤维布与混凝土之间的相对滑移。 112 抗剪补强 在梁、柱的剪压区段内横向包裹芳纶纤维布可抑制斜裂缝出现或开展，明显提高构件的抗剪强度，提高梁、柱的刚度、延性和抗震耗能能力。芳纶纤维布加固后的试件最大承载力均发生在芳纶纤维布剥离后、拉断前，在此过程中，芳纶纤维布承担的剪力不断增大，使总剪力仍然保持在较高的水平，改善了构件变形能力。芳纶纤维布加固量越大，试件延性越好。采用芳纶纤维布加固混凝土柱，可防止斜裂缝出现或限制斜裂缝开展，显著提高柱的受剪承载力，实现强剪弱弯的抗震要求，同时芳纶纤维布对提高高轴压比试件延性的作用更加明显。包裹方式分为间隔包裹、连续包裹；封闭包裹、非封闭包裹；采用夹具锚固包裹和非夹具锚固包裹等。 芳纶纤维布对抗剪强度的贡献取决于破坏模式。当发生芳纶纤维布剥离破坏时，其有效应变远低于极限拉应变；即使发生芳纶纤维布断裂破坏，其有效应变也低于极限拉应变。因为不论何种破坏模式，均有局部发生剥离破坏，因此精确地计算芳纶纤维布对抗剪强度的贡献非常困难，故确定芳纶纤维布的有效应变是进行抗剪强度计算的关键环节。对于芳纶纤维布补强矩形截面混凝土构件，其有效应变随混凝土抗拉强度的减小和纤维布轴向刚度（芳纶纤维布的配筋率与其弹性模量的乘积）的增大而减小；当芳纶纤维布的纤维丝方向垂直于钢筋混凝土构件的轴线方向时，由于斜裂缝扩展导致骨料间咬合力降低，从而使混凝土对构件抗剪强度的贡献随之减小，因此芳纶纤维布的有效应变应限制在0004 0005的水平。对于芳纶纤维布抗剪补强圆形截面混凝土柱，其有效应变可近似取0004。 113 约束混凝土和约束高强混凝土 混凝土是目前土木工程中应用最广的建筑材料之一， 它主要的特点是抗压强度高，脆性大，而且混凝土强度越高，其脆性越大，但在三向受压的复杂应力作用下其强度、变形性能均有很大的提高。混凝土在轴向荷载作用下，历经微裂缝形成、发展、扩大，横向变形加大，进而形成较大的宏观裂缝，宏观裂缝继续发展以至于混凝土破坏全过程。在整个过程中，混凝土泊松比最大为50%。因而，通过约束限制混凝土横向变形的发展是增强混凝土强度与延性的一种有效途径，这完全可以通过在混凝土构件外包裹芳纶纤维布来实现。当混凝土构件轴心受力时，其横向应变发展受到外包芳纶纤维布的限制。正是由于核心混凝土与外包约束层在受力过程中的这种相互作用，使混凝土材料本身性质发生了变化，即强度得以提高，塑性和韧性性能得以改善。 芳纶纤维布约束混凝土作用要好于碳纤维布约束混凝土。芳纶纤维一个显著优于碳纤维的特点是其破坏为非脆性，破坏前出现颈缩，征兆明显；同时高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作，这些性能使芳纶纤维在遭受强烈冲击时能有效的吸收轴向应变能和纵向动能，因此，在地震荷载或冲击荷载作用下芳纶纤维布约束混凝土特别是约束高强混凝土的延性及韧性要明显高于碳纤维布约束混凝土特别是约束高强混凝土的延性及韧性。因此，芳纶纤维复合材料在对构件韧性和延性要求高的抗震结构、抗冲击和耐疲劳方面要求高的工程结构的应用比碳纤维复合材料有较大的优越性。 用芳纶纤维布横向包裹钢筋混凝土短柱来提高其延性，芳纶纤维布的主要作用体现在两个方面：一方面，芳纶纤维布的作用类似于受剪箍筋，在斜裂缝出现后协助箍筋承受剪力；由于芳纶纤维的抗拉强度远大于箍筋的抗拉强度，所以这种作用十分明显。钢筋混凝土短柱用芳纶纤维布包裹后，相当于增加了配箍率，使其抗剪承载力得以提高，从而有可能使试验柱在外荷载作用下发生具有一定延性的正截面受弯破坏，而非脆性的斜截面受剪破坏，破坏形态的变化直接决定了构件变形性能的改善。另一方面，受压区混凝土的破碎，充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能，显著改善了构件的延性。芳纶纤维布的第二种作用只有在构件发生具有弯曲破坏特点的破坏形态时，才会处于主导地位。钢筋混凝土短柱变形性能的改善，关键在于破坏形态的转变。因此，芳纶纤维布通过协助箍筋共同承受剪力来提高构件变形能力是其主要作用。 碳纤维片修复补强混凝土结构工法 一、概述 钢筋混凝土结构由于设计、施工、使用以及意外灾害等多种原因，会影响结构的正常使用，需要维修、加固补强。碳纤维片修复补强钢筋混凝土结构是近十年来发展起来的一种结构修复补强新技术。碳纤维增强复合材料具有轻质高强、抗腐蚀、耐久性好、施工简便、不影响结构的外观等优异特性，因此，该项加固技术较之传统的修复补强施工工艺具有明显的优越性。该项技术在国际上深受重视，近些年来在日本及欧美等发达国家发展迅速，已广泛应用于桥梁、地铁、工业与民用建筑以及烟囱、水池、筒仓等特种结构的修复补强，成为钢筋混凝土结构修复补强的新趋势。在日本，特别是1995年阪神大地震后，碳纤维片修复补；强混凝土结构技术在大量的病害治理和抗震设防工程中发挥了重要作用，进一步促进了该项技术的发展。 为促进我国混凝土结构修复补强技术的发展，适应工程的需要，北京特希达科技有限公司于1997年从日本引进了这项技术，并结合我国国情进行了系统的研究开发。几年来已在北京、天津、江苏、山东、浙江等地近百余项桥梁、房屋建筑的修复加固工程中应用，技术经济效益及社会效益显著。为在技术上有所遵循，保证工程质量，特希达公司总结了几年来工程实践的经验，在日本工法的基础上加以充实完善，并结合我国国情编制了本工法，以利工程应用。 二、工法特点 1材料轻质高强。碳纤维片的抗拉强度比同截面钢材高710倍，将它用环氧树脂与钢筋混凝土构件粘贴后。能可靠地与构件形成一体、共同工作，具有优异的补强效果，而结构自重的增加几乎可以忽略。 2抗腐蚀。能有效地防护构件的混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。 3耐老化。碳纤维片与环氧树脂胶结材料本身及经其补强的混凝土构件可以长期承受紫外线、核辐射。长期在 5482温度下使用，强度不会降低。经加速暴露老化试验验证可历时40年性能不变。且在表面涂装后，耐久性将更加突出。 4高温性能：碳纤维本身具有非常高的耐热性，但碳纤维增强复合材料与混凝土粘贴后的耐热性由环氧树脂决定。因为环氧树脂在接近80时发生软化，所以碳纤维增强复合材料的耐热温度为80(80的强度保持率为80，从设计强度的安全率考虑，80应视作使用的上限温度)。另外，当温度达到260并持续该温度两小时后降至室温，碳纤维复合材料的抗拉强度不发生任何变化。 5保持结构原状，外形美观。碳纤维片便于随构件原形裁剪、贴附。修复补强不增加构件高宽尺寸及体积，且表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。 6施工简便、快捷。传统加固补强施工工艺如粘钢、外包混凝土方法必须进行大量混凝土剔凿、钢筋绑扎、焊接、浇筑混凝土以及大型机械设备吊装等作业，而碳纤维片加固补强施工却不需要。因此它对施工空间要求很低，便于在狭窄空间作业，施工快捷，对生产、使用的干扰很小。 三、适用范围 桥梁、工业与民用建筑中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙结构，涵洞、隧道、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、池罐侧壁等，由于设计、施工、使用、老化或受某种浸蚀、灾害造成的损坏，以及因超载导致的承载能力不足，都可采用特希达碳纤维片修复补强混凝土结构工法加固、补强。尚未危及承载能力的裂缝与其他损坏，也可用特希达工法中环氧树脂胶灌缝、密封工艺予以修复。 四、工艺原理 碳纤维片是用抗拉强度极高的碳纤维丝在高温下“拉拔”成型，单向排列，并经环氧树脂胶预浸而成的碳纤维增强复合片材。以环氧树脂作为胶结材料，将纤维片材沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损结构上，胶结材料作为它们之间的剪力连接媒介，形成新的复合体。使增强贴片与原有钢筋共同受力，增大了结构抗拉或抗剪能力，并能有效地提高结构的强度、延性及抗裂性，控制裂缝和挠度的继续发展；必要时也可交叉粘贴单向纤维片材。整个工艺的关键在于碳纤维片粘贴的紧密性与牢固性，以保证与原结构形成整体，共同工作。 特希达碳纤维片修复补强工法为满足上述要求，需保证以下方面： 1材料性能必须符合设计规定。 (1)碳纤维片的抗拉强度、弹性模量以及延性等性能指标须符合设计规定和产品标准。 (2)粘结剂要有足够的粘结性能，工艺过程中各部位所使用的环氧树脂胶结材料的种类、型号，应根据施工时的温度、湿度进行选择。并正确掌握主剂和固化剂的配比，使渗透性、粘稠度、固化速度等方面能满足不同季节施工的需要。 2正确地掌握工艺流程，每道工序都要有利于保证碳纤维片粘贴紧密。 (1)贴片前应对混凝土构件表面进行必要的处理，仔细清除破损、劣化部分，修补裂缝、露筋除锈、削平凸出部位和棱角等，使碳纤维片粘贴后能与构件牢固紧密结合。 (2)在处理好的混凝土构件表面涂刷能渗透到混凝土内的底层涂料，然后填平表面凹陷部位，达到表面平整。使碳纤维片与构件粘贴紧密并避免粘贴后起鼓。 (3)严格掌握贴片的位置与搭接长度，注意进行脱泡和浸渗操作。 (4)掌握好每道工序施工的间隔时间，防止碳纤维片起鼓、脱离、错位。 五、材料 1碳纤维片的规格及性能(见表1)。表1 碳纤维片的规格及性能 2底层涂料的规格及性能(见表2)。表2 底层涂料的规格及性能 3环氧腻子的规格及性能(见表3)。表3 环氧腻子的规格及性能 4粘结树脂的规格及性能(见表4)。表4 粘结树脂的规格及性能 六、工艺程序(图1)图1 工艺流程图 七、操作要点 1施工所需机械器具、工具(见表5)。表5 施工所需机械器具、工具一览表 2混凝土基底处理。 (1)将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净并达到结构密实部位。 (2)检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，需进行必要处理。 (3)对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，用高于原构件混凝土强度的环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。 (4)裂缝修补。缝宽小于0.20mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹密闭；大于或等于0.20mm的裂缝用环氧树脂灌缝。 (5)对贴片范围的定位、划墨线，按修复、补强设计要求进行。 (6)将构件表面凸出部分(混凝土构件交接部位、模板的段差等)打磨平整。修复后的段差要尽量平顺。 (7)棱角的部位，用磨光机磨成圆角。圆角半径宜30mm，最小不得小于20mm。 (8)清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。 3涂底层涂料。 (1)把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌合均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准，超过可使用时间不得再用。 (2)在底层涂料中严禁添加溶剂。含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用。 (3)用滚筒刷均匀地涂抹底层涂料。 (4)指触干燥时间因气温不同，一般在3h到1d之间变化。 (5)底层涂料固化后，在构件表面有凝结凸起时，要用砂纸磨光。磨光后若露出混凝土基面，应再补涂底层涂料。 (6)根据施工部位的温度、湿度选择适当的底层涂料(参见表2)。在气温5以下、相对湿度RH85、混凝土表面含水率在8以上，有结露可能而无有效措施时，不得施工。 4构件表面的残缺修补。 (1)构件表面凹陷部位(蜂窝、麻面、小孔等)应用环氧腻子填平，修复至表面平整。 (2)内角(段差、起拱等)要用环氧腻子填补，使之平顺。在残缺修补中使用环氧腻子时，要在气温5以上，相对湿度RH85时，如无有效措施时不得施工。 (2)防止碳纤维片受损。碳纤维片在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受到弯折。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸裁切碳纤维片，每段长度一般以不超过6m为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡(即赶出气泡)、渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏，片材的裁切数量应以当天的用量为准。 (3)纤维片纵向接头必须搭接10cm以上。该部位应多涂粘结树脂。纤维片横向不需要搭接。 (4)粘结树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。 (5)贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂。下涂的涂量标准如下：200gm2的碳纤维片，400500gm2；300gm2的碳纤维片，500600gm2。 涂量是根据施工部位及施工面的粗糙程度而变化的。拱起部分、拐角部分、纤维片搭接部位以及残缺修补处要多涂一些。 (6)贴片时，在碳纤维片和树脂之间不应留有空气。为此，可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使粘结树脂充分渗浸入碳纤维束中。 (7)纤维片施工30min(根据干燥程度)后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂。上涂涂量标准如下：300gm2的纤维片，200100gm2；300gm2的纤维片，300200gm2。 上涂时和(6)一样，用脱泡罗拉沿纤维方向用力滚压23次，使纤维内部补充、渗浸粘结树脂。 (8)进行空鼓检查，并进行处理。 (9)需粘贴2层以上碳纤维片时，必须在首层修补完空鼓后进行，重复第58步骤，并遵守(3)的规定。 (10)如碳纤维片施工不符合质量标准，则需进行相应处理，其中空鼓处理方法如下： 注入粘结树脂法。在碳纤维片上打开2个以上的孔，使用注射器注入粘结树脂(或低粘度型树脂)。 割刀切入填充树脂修补法。沿纤维方向切入23刀，用橡胶刮板、毛刷沾上适量粘结树脂，填进割开的缝内。 补丁补修法。当贴片完全固化后，无法用割刀切开或注入树脂，或纤维片表面出现褶皱或松弛时，应采用此方法割去不良部分，重新粘贴碳纤维片。 6养护。 (1)粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，并应保证固化期间不受干扰。 (2)在每道工序以后树脂固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。 (3)当树脂固化期间存在气温降低到5以下的可能时，可采用低温固化树脂，或采取有效的加温措施。 (4)碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：平均气温在10以下时，需要2周；平均气温在10以上20以下时，需要12周；平均气温高于20时，需要1周。在此期间应防止贴片部分受到硬性冲击。 7涂装。 (1)若加固补强构件需要防火时，可在树脂固化后按业主要求涂刷耐火涂层。 (2)对加固补强构件有外观要求时，可在补强后涂刷所需色彩和质量的涂层。 (3)涂装应在树脂初期固化后进行，并应遵守所用涂料的相关标准和施工规定。 (4)对新材料新工艺的涂装，事前要做好充分研究，必要时应进行试验，确认以后方可正式使用。 八、施工管理与劳动组织 1施工管理。 (1)项目管理(项目经理)。负责根据加固补强设计文件制定施工组织设计，按计划负责人力、材料、机具和资金等的准备，组织施工并对工程质量、进度、安全、物资供应、生活安排、工程的交工验收及结算全面负责。 (2)技术管理(技术员)。负责为加固补强设计和技术组织措施的实现，做好技术交底、贯彻施工规程与质量标准等工作，为工序检查和隐蔽工程验收确认把关，处理施工中发生的变更和其他技术问题。 (3)作业管理(工长)。负责组织、指导、监督工人操作，经过自检达到设计和本工法的要求；调配工人，指导工人提高效率，节约用料和安全施工，亲自进行碳纤维片的裁切和树脂的调配。 2劳动组织。作业小组由3人组成，是劳动组织的基本单位，负责加固补强的构件打磨、涂刷树脂、缺陷修补、裂缝封闭、贴片、养护等操作全过程。视工程量大小决定基本作业单位的多少。脚手架搭设等辅助设施所用的工人不包括在内。 九、质量要求 1所有进场材料，包括碳纤维片材和胶结材料，符合质量标准，并具有产品出厂合格证，其各种性能指标及技术参数均应符合本工程加固补强设计要求，适合现场温度、湿度条件的材料。这是保证工程质量的前提。 2碳纤维片材在运输、储存中不得受挤压，以免碳纤维受损。也不得直接日晒和雨淋。胶结材料应阴凉密闭储存。 3各工序的施工质量，由工长负责指导、监督。每一工序完成后督促操作小组自检，确认合格提请技术员检查认可后才能进行下道工序，否则必须返修至合格为止。贴片前及以后，还要由技术员请业主代表或监理人员检查，作贴片数量与质量的签认。不贴片的部位，最后一道工序也要业主代表或监理人员签认。 4各工序的施工质量要求如下： (1)结构物表面处理。将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净达到结构密实部位；检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，进行必要处理。 裂缝必须处理：缝宽85，混凝土表面含水率在8以上，有结露可能且无有效措施时，不得施工。 (4)构件表面残缺修补。构件表面小孔、阴角，必须用环氧腻子修补平整。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。 (5)粘贴碳纤维片。 粘贴碳纤维片时须符合下述条件： a碳纤维片材应按规定