浅析碳纤维加固钢筋混凝土结构的应用.doc

浅析碳纤维加固钢筋混凝土结构的应用（南华大学 城市建设学院 湖南衡阳 421000）摘要：碳纤维材料加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术。本文通过介绍碳纤维布的特点、碳纤维布加固混凝土结构材料要求、碳纤维布加固混凝土结构的设计要点及基本施工步骤，对碳纤维布加固钢筋混凝土结构技术进行归纳和总结。关键词：碳纤维；结构加固；混凝土结构Analysis the using of the carbon fiber strengthening reinforced in the concrete structureLIU Guosong（College of City Construction University of South China，Hengyang 421000 China）Abstract Carbon fiber strengthening technique is a new reinforcement technology. This paper introduces the characteristic of carbon fiber, the material requires of the concrete structure reinforced with the carbon fiber. At the same time, introduced the design points and the construction procedure of this technology.Keywords carbon fiber; structure reinforcement; concrete structure0 引言随着建筑业的飞速发展，在新建建筑不断涌现的同时，一方面，大量的既有建筑物接近其使用寿命，需要维护和补强加固；另一方面，由于存在一些缩短既有建筑物使用寿命的因素，如混凝土碳化、开裂、钢筋腐蚀等，引起结构的承载力及耐久性的降低，从而使结构不满足原有的设计要求，甚至危及结构的安全，这些结构都亟待补强加固1。碳纤维具有轻质、高强、耐腐蚀等优点, 是一种理想的新型复合材料2。，加固机理是将碳纤维布用高性能环氧树脂类建筑结构胶粘剂将碳纤维粘贴于混凝土表面，使碳纤维与原混凝土构件共同工作，利用碳纤维材料良好的拉伸强度(比普通钢材高十几倍)增强构件的抗弯、抗剪承载力及刚度的一种加固方法35。1碳纤维布的特性1.1高强高效碳纤维材料具有优异的物理力学性能，抗拉强度高，可提高构件的承载力和延性，改善其受力性能。因此在对混凝土结构进行加固补强过程中，可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来达到高效加固的目的。研究表明，碳纤维材料还可增强梁、柱抗剪能力6，柱、墙承压能力7，柱延性( 抗震能力) 8和梁、板的抗弯能力 9。1.2耐腐蚀性能及耐久性碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸、碱、盐以及大气环境中的化学物质发生反应，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题，特别是在腐蚀环境下进行加固具有更有优势3。1.3 不增加构件的自重及体积碳纤维布质轻、柔软、易粘贴、质量易于保证。碳纤维布自重轻，约为200g/ m2，密度只有普通钢材的1/ 4 1/ 5，一般片材增强层厚度在0.1 0.2mm之间，基本上不增加结构的自重和截面尺寸, 也不会减少建筑物的使用空间，柔性好, 易于裁剪, 适用范围广3,5。1.4施工便利用碳纤维布进行结构加固，在施工现场不需要大型施工机械，所占用施工场地少，而且没有湿作业，因而工效较高，施工工期短3,5。2碳纤维布加固混凝土结构材料要求3,10碳纤维布加固混凝土结构材料主要包括碳纤维片材、配套树脂粘结材料、表面防护材料3种类型。进场材料应具备检测报告、产品合格证、耐久性能指标、施工和使用环境要求( 说明书)。原则上应有试验资料证明粘结材料与配套碳纤维片材的粘结效果，以避免因粘结材料与碳纤维片材不配套而造成加固效果降低或加固失效9。2.1 碳纤维片材一般使用高强度型碳纤维片材，其抗拉强度是普通钢筋的10倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量。当用于重要的建筑物的结构加固时，建议对碳纤维片材伸长率的要求予以适当提高。2.2单层碳纤维布试验研究和工程经验证明，单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量越大，施工时浸渍树脂越不容易浸透，施工质量越难以保证。因此施工时建议不要使用单位面积碳纤维质量大于300g/ m2的碳纤维布。2.3配套树脂粘结材料主要产品有与碳纤维片材配套的底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘结树脂。底层树脂的作用是增强混凝土表层，提高混凝土与找平材料或粘结树脂界面的粘结强度。找平材料的作用是填充混凝土表面的空洞、裂隙等，使加固表面平整度符合要求，并与底层树脂及浸渍树脂具有可靠的粘结强度，形成粘结体系。当混凝土表面平整度满足要求时，可尽量减少找平层材料的用量。浸渍树脂是碳纤维布的主要粘结材料，与其共同承受结构的作用。粘结树脂是碳纤维板的主要粘结材料，它的性能必须满足规程的有关要求，因为粘结材料的性能与粘结质量和加固效果密切相关，如果粘结材料的性能达不到要求，必然导致加固效果降低，甚至失败。3碳纤维加固设计基本原则粘贴碳纤维片材加固修复混凝土结构时，应按国家现行有关规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法进行承载力极限状态和正常使用极限状态的计算和验算。按结构检测得到的实际强度，根据国家现行有关规范确定相应的材料强度设计指标，也可根据钢筋品种和混凝土的设计强度等级，按国家现行有关规范相应的材料强度设计指标。碳纤维片材应根据构件达到极限状态时的应变，按线弹性应力应变关系确定其相应的应力，取厂商提供产品的不小于95%保证率的极限抗拉强度作为抗拉强度标准值，碳纤维片材的极限拉应变取极限抗拉强度标准值除以弹性模量。同时,应考虑加固后对结构中的其它构件或构件的其它性能可能产生的影响，必要时卸除结构上的活核载作用。当不能完全卸载进行加固时，应考虑二次受力的影响。加固受弯构件和受剪构件时，被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级应不低于C15。采用封闭粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时，混凝土强度等级应不低于C105,10。设计时可按如下基本假定：1）受拉区混凝土的作用忽略不计；2）梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；3）碳纤维材料采用线弹性应力应变关系：，且11。4碳纤维布加固混凝土结构基本施工步骤及施工中应注意的问题4.1碳纤维布加固混凝土结构基本施工步骤1) 混凝土表面处理。凿除混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成半径不小于20mm的圆弧状，以避免碳纤维布在折角处出现应力集中。用强力吹风器或吸尘器将表面粉尘彻底清除，并保持干燥。2）配制并涂刷底层树脂。以重量弹簧秤计量，用主剂：固化剂=2：1的比例，将主剂与固化剂先后置于容器中，用电动搅拌器均匀搅拌，用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。底层树脂应严格控制使用时间，一般情况下须1h内用完.在底层树脂表面指触干燥后( 一般固化时间为23天)，应尽快进行下一工序的施工。3) 找平处理。混凝土表面凹陷部位应用专用胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用专用胶填补，尽量减小高度差。转角处也应用专用胶修补成光滑的半径不小于20mm的圆弧状。4) 碳纤维布的剪裁。按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度一般应在3m之内。保证剪裁后的碳纤维方向与粘贴部位的方向一致。严禁斜切碳纤维布，以防止出现拉丝现象。剪裁成型的碳纤维布应注意保持洁净，不受污染。5) 调配和搅拌浸渍树脂。严格按质量比计量配制，并按粘贴面积确定每次用量，以防失效浪费。派专人负责搅拌，搅拌时应顺着一个方向,直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入。粘贴碳纤维前应对混凝土表面再次擦拭,确保粘贴面无粉尘。在混凝土表面涂刷结构胶时，必须要达到涂刷稳、准、匀的要求。即刷涂用力适度，尽量不流、不坠、不掉；涂刷不出控制线；涂刷范围内薄厚较一致。在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。6) 碳纤维布的粘贴。粘贴碳纤维布时，同样要稳、准、匀, 要做到放卷用力适度，使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅。在确定所粘贴部位无误后，剥去离型纸，用特制滚子从一端向另一端反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使浸渍树脂充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤，在碳纤维织物表面指触干燥后立即进行下一层的粘贴。如超过40min，则应等12h后再行涂粘。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。7) 表面防护处理。对加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。4.2 施工中应注意的问题1）必须按照设计要求选用合适的胶品种，配置主剂、固化剂；一次配胶量不宜过大，以免因涂刷不及时，来不及施工2）混凝土表面要打磨、找平，一次粘贴碳纤维布不宜太宽，拐角弧度要一致，防止剥离破坏的发生3）碳纤维片材为导电材料， 因此施工时应尽量远离电源，或采取有效措施4）环境温度应不小于5度，湿度小于85%。5）必须保证所用材料的性能，尤其是碳纤维，应进行性能测定,合格后方可使用,并应特别注意其浸润性、强度、和弹性模量10。5 结语5.1 粘贴碳纤维布能有效提高受弯构件的承载力，提高后期刚度，减小裂缝宽度。5.2对使用中的构件进行加固时，卸载后再加固效果更好。当构件裂缝宽度较宽时，灌缝之后再加固效果更好。5.3 碳纤维布加固方法是一种有效的混凝土结构加固技术，与传统的加固技术相比，,碳纤维布加固混凝土技术具有良好的综合经济性能，采用碳纤维加固修补混凝土结构具有广阔的应用前景。但是，目前此工艺成本较高，制定方案时应考虑价格因素。如何寻找一种既便宜又加固效果好的材料，仍然值得研究。5.4 碳纤维加固混凝土虽然具有各种优点，但是其在实际工程中的耐火性能还有不足。在今后的研究当中仍然值得重视。参考文献1 高亮. 混凝土结构碳纤维加固技术及其展望 J. 工程技术, 744-745.2 富立志, 金志刚. 碳纤维加固对梁抗弯刚度的影响 J. 四川建筑, 2010, 30(4): 233-234.3 廉京哲. 碳纤维布的特性及在加固混凝土结构中的应用 J. 延边大学学报: 自然科学版, 2008, 34(2): 142-145.4 刘曙光, 王玉清, 王猛, 等. 碳纤维布改善混凝土梁抗弯性能的试验研究 J. 内蒙古工业大学学报, 2004, 23(4): 314-319.5 吕军辉. 碳纤维布加固原理与施工技术 J. 山西建筑, 2007, 33(4): 71-72.6 陈永秀, 陆洲导. 碳纤维布加固钢筋混凝土梁正截面的疲劳性能试验研究 J. 四川建筑科学研究, 2006, 32( 6) : 94-97.7 张鸿梅,李欣,金振宇. 碳纤维加固混凝土柱粘贴方法的试验研究 J. 延边大学学报: 自然科学版, 2006, 32( 4) : 285-288, 291.8 王步, 王溥. 基于节点的碳纤维布