碳纖維布補強技術在混凝土結構加固中的應用

摘要:主要從碳纖維布補強加固技術特點、加固技術原理、施工工藝、施工注意事項、施工質量檢驗與驗收這幾個方面進行闡述。

關鍵詞:碳纖維布;混凝土結構;加固;應用

中圖分類號:TU

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0361-01

1 前言

碳纖維布加固修復混凝土結構技術是一項新型、高效的結構加固修補技術，其是利用樹脂類粘結材料將碳纖維粘貼于混凝土表面，利用碳纖維良好的抗拉強度達到增強構件承載能力及剛度，以達到對結構及構件加固補強的目的，與傳統加固方法相比，具有高強高效、施工便捷、工效高、耐久性好等突出的優點。近年來，碳纖維復合材料在建筑混凝土結構加固中逐漸得到了廣泛應用。

2 碳纖維布補強加固技術特點

(1)具有高抗拉、高彈性模量的特點，可提高混凝土結構及構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到加固修補的目的;

(2)施工方便，工作效率高，施工無須大型機械，成品的碳纖維布為卷材結構形式，可任意裁剪，占用場地少，施工進度快;據有關資料統計，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼板加固工效的4-8倍;

(3)耐腐蝕及耐久性能好，不與酸、堿、鹽等化學物質發生反應，在-52-82℃溫度環境條件下使用，適應范圍廣;

(4)碳纖維材料重量輕(僅為200-300g/m2)，厚度小，經加固修補后的構件，不會增加原結構自重及尺寸;

(5)碳纖維片粘貼在混凝土的表面，能有效地封閉混凝土的裂縫，從而延長結構的使用壽命;

(6)適用范圍廣，既可用于提高不同結構類型(如建筑物、構筑物、橋梁、隧道、涵洞等)的承載力，又能用于抗震加固;

(7)缺點是采用碳纖維加固成本偏高，想要全面推廣這項新型加固技術，尚需假以時日。

3 碳纖維布加固技術原理

外貼碳纖維增強復合材料加固混凝土技術是通過在混凝土結構外部粘貼纖維增強復合材料片材，通過二者協同受力，達到加固目的。碳纖維布具有很高的抗拉強度(其抗拉強度約為普通鋼材的十幾倍)、高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，這為利用粘貼碳纖維布加固鋼筋混凝土結構提供了前提條件。但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作。在結構承受荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態，隨著荷載的加重，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘貼劑后，碳纖維能與混凝土形成一個復合型整體，并且能很好地共同工作，提高結構構件的抗彎、抗剪承載力，達到對結構構件進行加固、補強的目的。

4 碳纖維布加固的施工

4.1 施工準備

(1)材料:底膠、粘著膠、碳纖維布、環氧樹脂;

(2)施工機具:專用滾筒、電錘、刮板、角向磨光機、調膠容器、剪刀、鑿子、榔頭、臺秤、丙酮等。

4.2 施工操作要點

4.2.1 結構表面處理

(1)混凝土表層出現剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予鑿除;

(2)除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質，清洗干凈需粘處，構件表面凸出部分應打磨平整;

(3)構件表面打磨后，用壓縮空氣將表面浮塵、油污等雜物清理干凈，然后用丙酮將需粘貼處清洗干凈，并使表面充分干燥;

(4)如碳纖維材料須繞過轉角時，轉角必須打磨成半徑不小于20mm的圓角。

4.2.2 涂底層涂料

(1)按主劑:固化劑=2:1的比例將兩者放入潔凈的容器中攪拌均勻，應注意的是，調好的底膠須在規定的時間內用完，一般情況下40min內用完;

(2)涂刷底層涂料時，底涂表面須干燥，環境濕度應>80%;然后用刮板將底層涂料均勻涂刷于構件底面(兩側刮150mm)，待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準，一般固化時間為1-2d)才能進行下一工序施工;

(3)底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分(一般類似結露的露珠一樣)要用砂布或角磨機磨平。

4.2.3 用環氧膩子找平

構件表面凹陷部件應用環氧膩子填平，并修復至表面平整、順滑;模板接頭(段差、起拱)等出現高度差的部位要用環氧膩子填補，盡量減少高度差，確保混凝土表面相對平整;膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。

4.2.4 粘貼碳纖維板材

(1)樹脂的主劑和固化劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器用攪拌器均勻攪拌。一次調和量應在可使用時間內用完;

(2)碳纖維布在受力方向盡量避免搭接，如需搭接，則沿纖維方向的搭接長度須在100mm以上，端部用橫向碳纖維布固定;在搭接的部位要多涂抹一遍;

(3)貼碳纖維布前用滾筒刷將環氧樹脂均勻地涂抹于需粘貼的部位，涂刷厚度應滿足能滲透至碳纖維布表面;然后把按設計要求裁剪好的碳纖維布(除特殊要求外，碳纖維長度一般應在3m之內)用手輕壓貼于需粘貼的為止，并用羅拉(專用工具)沿碳纖維受力方向來回滾壓，使樹脂從兩邊溢出，使粘貼劑充分浸透纖維布。當平行粘貼多條碳纖維板時，兩板之間空隙應不小于5mm。待指觸干燥后，才能進行第二道碳纖維布的粘貼，方法同第一道;

(4)在粘貼兩層碳纖維板時，應連續粘貼，如不能及時粘貼，再開始粘貼前應對底層碳纖維板重新做好清潔工作;

(5)最后一層碳纖維粘貼完后，應仔細檢查，確保其涂刷均勻、周邊整齊;

(6)碳纖維布粘貼完，待指觸干燥后，再刮涂一層面膠，來回滾壓，使膠充分滲入到碳纖維布中去;待面膠指觸干燥后，表面做一層保護層(涂防火涂料或噴水泥砂漿);

(7)為保證構件加固后的正常使用，避免碳纖維布的老化和遭受其它損傷，還必須在碳纖維布加固層的外表面應進行密閉防護處理，即在碳纖維的表面抹不小于20mm厚的水泥砂漿，砂漿強度等級不低于M10。

4.2.5 養護

碳纖維板材施工后，應進行養護，保證養護期間的溫度不低于環氧樹脂的允許使用溫度;養護期一般在1-2周內，在此期間應采取有效可靠的方法進行防水、防塵、防碰撞措施，使其充分固化;對于有風吹、雨淋或有可能人為擾動的地方應進行遮擋封閉養護。同時，養護期間不得在加固部位上進行任何施工。

5 施工注意事項

(1)碳纖維板材為導電材料，施工碳纖維片材時應遠離電氣設備及電源，或采取可靠的防護措施。

(2)施工所用的各種配套樹脂應儲存于密閉容器中，遠離明火，避免日照、高溫;樹脂的配制和使用場所，應保持通風良好。

(3)施工過程中應避免碳纖維片材的彎折，否則容易開裂破壞。

(4)施工應在氣溫在5℃以下、相對濕度不大于85%、混凝土表面含水率在8%以上的環境下施工;當混凝土結構表面有結露的可能時，而又無有效措施時不得進行施工;如果低于5℃，應使用適于低溫的配套樹脂或采用其他加溫措施。

(5)碳纖維片材與混凝土表面之間應保持2mm的最小粘貼厚度。

(6)施工及檢查人員應采取相應的勞動保護措施，如穿防護工作服、配戴口罩、手套、防護眼鏡等防護用品，防止膠滴入眼睛。

(7)當樹脂粘附在皮膚上時，應立即用肥皂水沖洗，濺入眼內用清水清洗或及時就醫。

6 施工質量檢驗與驗收

6.1 施工質量檢驗

(1)混凝土表面處理后應平整，應清潔干燥、無油污;

(2)目測檢驗，表面無明顯的凹凸現象;

(3)碳纖維布粘貼后，表面應有均勻浸透至表層的粘貼樹脂，且無氣泡;

(4)防腐涂料防護的涂刷不應少于兩遍;

(5)每一道工序結束后均應按上述要求進行檢查，做好相關的驗收記錄，如出現質量問題，應立即返工。

6.2 加固工程竣工驗收

以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結質量為主，用小錘輕敲碳纖維表面判斷粘結效果，以檢查是否有空鼓現象;有效粘結面積小于95%的，即應判定粘結無效，需重新施工。

7 結語

碳纖維布補強加固技術是一種新型加固技術，其具有施工簡便、耐久性好、抗腐蝕、不增加結構自重、原結構的影響較小、能有效封閉混凝土裂縫等優點，可有效提高混凝土結構的承載能力和抗疲勞性能，增強結構的抗震能力，綜合加固效果顯著。且隨著碳纖維材料成本的降低及國內外研究的不斷深入，該項技術在混凝土結構加固領域中的應用會越來越廣泛，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]GB50367-2006.混凝土結構碳纖維加固設計規范[S].