碳纖維在混凝土結構加固中的原理與施工技術

遼寧省建設科學研究院 遼寧省沈陽市 110005

摘要：混凝土裂縫是工程中最常見的病害之一，其產生的原因多種多樣。如何修復、加固，使其符合設計要求，滿足使用功能，常用的有以下幾種方法：壓力注漿法、開槽填補法、涂膜封閉法、鋼帶加固法及碳纖維布加固法等。其中，用碳纖維修復加固鋼筋混凝土是近年來興起的一種簡潔、方便、實用的加固方法。本文根據碳纖維結構加固技術的原理，闡述其在混凝土結構加固中的作用、效果及經濟效益。

關鍵詞：碳纖維；混凝土結構；加固原理；施工技術；

由于碳纖維具有優良的物理力學性能，良好的粘結性、耐久性、自重輕、施工方便、快捷等優點，因而利用碳纖維加固混凝土構件，能有效地提高結構構件的承載能力、耐久性，由此達到對建筑物進行加固、補強的目的。

一、碳纖維加固的原理

用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍。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，在承受較低的荷載時，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，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高了碳纖維的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又要確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到加固的目的。

二、實例分析

1.工程概況。某工程在主體工程施工完畢后，因工藝要求，P列/3～4軸線、P列/11～12軸線，+41450m框架梁上鉆孔植筋現澆兩根結構支承柱，梁自身進行碳纖維加固補強。

2.施工工藝

（1）混凝土基層處理。一是用砂輪機或磨光機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿，油物并研磨至骨料出現為止。二是研磨完后用高壓空氣槍和毛刷將粉塵去除，并確保作業表面充分干燥、平整無灰塵。三是混凝土表面的凸起部位要磨平，凹陷部位須使用環氧樹脂砂漿修補成平滑曲線，以利于碳纖維片材粘貼。四是梁底與梁側交界處直角須將其磨成R=1～2cm的圓角，以免圍束時造成應力集中而降低補強效果。五是鋼筋裸露部位須做防銹處理；梁上蜂窩、麻面處要先研磨去除，再用與混凝土具有同等強度的環氧樹脂砂漿進行修復。

（2）混凝土裂縫注入施工。結構若有龜裂現象產生時，視情況按以下方式處理。一是裂縫寬度大于5mm時，用高強度水泥砂漿壓力灌漿后抹平表面。二是無法用水泥砂漿填注處，可用封塞劑將裂縫處堵住，再用低壓樹脂注入法將樹脂膠注入裂縫中，待注入材料硬化后將多余封塞劑和凸出物除去，再用修補膠補平。

（3）底膠涂布施工。一是施工環境。混凝土表面結露或觸水處不得施工，因濕度太大將導致樹脂與水氣產生作用而干擾膠化過程。迫于工期或其他因素必須施工時，應采取以下措施。施工現場須有保溫和除濕設備以降低濕度，確保施工質量；選用濕潤面專用底膠施工。二是底膠涂布。施工環境確認后，選用CH-4C底膠材料針對經過上述處理的施工面進行底膠涂布施工。將底膠的主劑和硬化劑按照配合比（3：1重量比），置于潔凈的容器中用底速電動攪拌器充分攪拌均勻，用刮板將它均勻地涂在梁底面及粘貼UI^型箍的梁側面，梁兩側上刮150mm；待膠固化后（固化時間視現場氣溫而定，指觸干燥時間約3～12 h）再進行下道工序施工。注意：調好的底膠須在規定的時間內用完，一般情況下40 min內用完。三是表面不平整的再修補。待底膠干燥后，將拌制好的修補膠用刮刀涂抹在混凝土表面凹陷部位，模板接頭出現高度差的部位，盡量減少高度差，使整個施工面平整光滑。注意：修補膠必須按材料使用說明書在規定的時間內用完。

（4）碳纖維片材補強粘貼施工。一是涂布浸漬樹脂前必須先確認底膠狀況為指觸干燥。二是碳纖維片材依據設計尺寸進行裁剪。三是將環氧樹脂主劑及硬化劑按照配合比（3：1重量比），置于潔凈的容器中攪拌均勻，用刮板將膠均勻地涂刮在底膠上需粘貼碳纖維片材處，隨即把按設計要求已裁減好的碳纖維片材粘貼在設計部位，用刮刀沿纖維方向用力刮平以除去氣泡和貼平片材，然后再用專用滾子沿碳纖維布的受力方向來回滾壓，以便使碳纖維片材充分含浸樹脂和除去氣泡。但需避免樹脂過量導致碳纖維滑移或扭曲，也要避免樹脂不足造成的浸漬不足。四是在已貼好的碳纖維片材上，再次用含浸漬樹脂的滾輪毛刷將浸漬樹脂均勻涂布后，再用專用滾子沿碳纖維片材的受力方向來回滾壓，使碳纖維片材充分含浸樹脂和除去氣泡，務必使樹脂浸漬完全。碳纖維片材粘貼30 min后方可進行上層樹脂涂抹。

（5）保護層。待面膠指觸干燥后，表面做一層防火涂料或水泥砂漿保護層。本工程按設計要求，碳纖維布粘貼完畢后，抹20厚1：2水泥砂漿保護層。

3.碳纖維片材結構補強檢驗方法。一是外觀目測。檢測標準：無間隙，無缺酯區，無皺紋。處理方法：對間隙、缺酯區加補樹脂；對皺紋磨平重新粘貼。二是金屬錘測試。測試部位：全數檢測。檢測標準：完工后3d，以金屬錘輕敲，以檢視碳纖維補強面是否有空孔或浸漬不良的現象。處理方法：對空孔或浸漬不良的區域應用切割器切除，再重新粘貼（注意搭接長度）；對浸漬不良面積達到施工面的2/3及其以上的則需全部拆除，重新粘貼。三是硬度測試。測試部位：全部施工區域。檢測標準：完工后3 d硬度值達70以上視為合格。處理方法：50<硬度值≤ 70時，應挑選局部區域切開檢查碳纖維浸漬狀況。若碳纖維浸漬達到檢查區域的2/3以上則該區域須全部拆除重新施工，數目小于2/3則以個別區域分別切開重新粘貼。硬度值[50，則為不合格區域須拆除，重新粘貼。四是現場拉拔試驗。測試部位：復合材料補強施工區域。測試頻率：每50m2測試一次，不足50m2也測試一次。檢測標準：拉拔結果破壞面必須是混凝土破壞或拉拔強度大于20kg/m2，方可視為合格。處理方法：不合格則在原測試位置30cm范圍內再取測試，仍不合格，則該施工區域須拆除，重新粘貼。

4.安全注意事項。一是施工現場嚴禁火源。二是施工人員必須穿著適當的保護工具，如面罩、眼鏡、手套等。

5.施工技術總結。根據加固原理，在施工前必須選擇合適的粘結劑，掌握材料的各有關參數，以確保它有足夠的強度，能保證碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維片材與結構共同工作。該工程施工時，在確保安全的前提下，僅使用了簡單的腳手架，不需大型施工機械及周轉材料，而且碳纖維布柔性好，可以根據形狀及尺寸隨意裁剪，在各種支架的遮擋處可以隨意穿過，施工非常方便；該工程從開工到結束10d時間（包括搭、拆腳手架），工期短、費用低，總費用約2700000元。由此可見，正是碳纖維布加固技術所具有的這些優點，使得這種新型的加固技術在混凝土結構的加固中，得到較為廣泛的應用，并已產生較大的經濟效益。

目前正在探索應用碳纖維布加固磚砌體的技術（如磚砌體在外界環境影響下產生的裂縫修補，采用碳纖維布來提高砌體的某些力學性能），該技術是粘貼碳纖維結構加固技術領域中的新生事物，如能成功，也必將能產生較大的經濟效應。

參考文獻：

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