碳纖維加固混凝土結構的探討

李偉

鄭州大學綜合設計研究院有限公司廈門分公司（361000）

碳纖維加固混凝土結構的探討

李偉

鄭州大學綜合設計研究院有限公司廈門分公司（361000）

碳纖維材料是一種力學性能優異的新材料，日本、美國等發達國家最先將碳纖維用在混凝土結構加固中。近年來，各個國家都在大力研究碳纖維技術。文章探討了碳纖維材料在加固混凝土結構中的特點、工藝流程、施工方法及質量控制要點。

碳纖維；混凝土結構；施工工藝；加固

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上，高強度、高模量的新型纖維材料，具有耐腐蝕、耐高溫、導電導熱性能好等特點，抗拉強度是常用建筑材料鋼筋的十幾倍。將其應用在混凝土結構加固技術中，碳纖維通過環氧樹脂粘結在混凝土結構表面，使碳纖維材料與原來混凝土結構融為一體，利用碳纖維強抗拉性能增強了混凝土結構的承載力。

1 碳纖維的特點

碳纖維材料，具有以下幾個方面的特點：第一，碳纖維材料材質輕，抗拉強度大。用碳纖維材料制作的合成材料比重是普通鋼鐵材料的五分之一，是一種質地比較輕的材料。碳纖維的抗拉強度是普通鋼材的8～10倍，將其與混凝土結構混黏結在一起，能夠提高混凝土結構的強度。第二，抗腐蝕性好。碳纖維遇到一般的有機溶劑、酸、堿物質不溶不脹，不會生銹，耐腐蝕性能好，將其應用在混凝土加固結構中，能夠防止酸、堿、鹽、水以及有機物質對鋼筋混凝土結構的腐蝕，起到保護混凝土結構的作用，減少混凝土結構的維修費用。第三，耐老化性。碳纖維具有耐油、耐高溫、抗輻射、吸收有害有毒氣體等作用，長期在-54～80℃的溫度環境下強度不會發生變化。第四，外形美觀，保持原狀。碳纖維材料黏附在材料表面，不會改變構件的結構尺寸，粘貼后厚度為1 mm，每m2的重量不足1 kg，對混凝土結構的尺寸和自重不會產生影響。第五，施工簡單方便，效率高。碳纖維材料比較輕，在一個比較狹小的空間也能操作，施工占用的面積比較小，不會影響房間的正常使用。材料切割方便，不需要大型的設備進行切割，也不需要螺栓、螺釘固定，所以簡化了施工流程。第六，碳纖維材料不僅具備普通碳材料的特性，還可以加工成各種織物。

2 碳纖維的適用范圍

碳纖維是國民經濟和國防軍工中重要的戰略物資，隨著碳纖維技術的發展和進步，碳纖維材料應用在航天航空、機械、化工、電子、體育、建筑等各個領域。碳纖維加固應用在建筑工程中，適用橋梁隧道、民用建筑的混凝土梁、柱、剪力墻結構、襯砌、罐體等各種建筑結構形狀、建筑類型和各種結構部位。

3 碳纖維加固工藝流程及施工方法

3.1 工藝流程

碳纖維加固工藝流程大致為：混凝土表面處理→土涂底層樹脂→找平→涂導線浸漬樹脂→粘貼碳纖維布→養護→涂裝→加固工程驗收。

3.2 施工方法

3.2.1 混凝土表面處理

碳纖維加固施工前，必須對混凝土表面進行處理卸去部分荷載，讓碳纖維粘貼結構承受荷載減少到最小。混凝土表面處理遵守以下幾點：

1）混凝土裂縫。如果混凝土裂縫寬度小于0.2 mm，則用環氧樹脂對表面進行涂抹封閉；如果混凝土裂縫大于0.2 mm，則用環氧樹脂灌注裂縫。

2）清理混凝土表面破損和殘缺的部位，讓混凝土表面保持平整。

3）檢查混凝土結構外部鋼筋是否有腐蝕的現象，如果有腐蝕立即進行處理。

4）對清除、剔鑿、漏筋構件的破損部位，用環氧砂漿進行修補，讓構件表面保持平整。

5）混凝土結構表面凸出的部分要剔除，打磨平整。對棱角的部位，用磨光機磨成圓角，圓角半徑必須大于30 mm。

6）混凝土表面修復平整以后，用吹風機吹干凈表面的灰塵，并用水和酒精清潔表面，讓表面保持干燥。

3.2.2 涂底層樹脂

首先將涂料按比例配置好，然后用滾筒刷均勻的將底層涂料涂刷在混凝土表面，等樹脂涂料干燥以后才能進行下一步施工。底層樹脂涂抹干燥以后，部分表面會出現凸起的現象，用砂布磨平。

3.2.3 找平

用整平膠料找平，混凝土表面凹陷部位用膠料修補平整，在模板接頭等高差大的地方用整平膠料填補。其次對混凝土材料的轉角處進行處理，轉角處用整平膠料修補，將其修補成為一個光滑的圓弧，其半徑不小于10 mm，整平膠料固化干燥以后才能進行下一步的施工。整平膠料的固化時間根據施工環境溫度確定，一般大于3 h。

3.2.4 涂導線浸漬樹脂

浸漬樹脂是整個加固混凝土的關鍵環節，是連接底膠和碳纖維布的關鍵材料。通過浸漬樹脂，將碳纖維布粘貼在混凝土表面，經過碾壓以后，讓浸漬樹脂浸透到碳纖維中，讓其形成一個整體，共同抵御外力。浸漬樹脂必須具有良好的滲透性和粘合力，確保碳纖維材料與混凝土結構結合成受力整體，從而達到加固的目的。表1為樹脂的主要性能指標：

表1 樹脂的主要性能指標

3.2.5 粘貼碳纖維布

按照結構設計的尺寸裁剪碳纖維布，一般碳纖維布的長度在3 m以內，特殊情況除外。然后按照配置的比例將樹脂的主劑和固化劑配比稱重，裝入容器后均勻的攪拌，碳纖維片長方向的片材的接頭搭接長度必須在10 cm以上，搭接部位要多涂抹樹脂，材料的寬度方向不需要搭接。貼片前，必須用滾筒均勻性涂刷需要粘貼的環氧樹脂，貼片時要確保材料之間的密實度，纖維片和樹脂之間不能殘留空氣。在貼片的時候可以用專用的工具羅拉沿著纖維的方向在材料片上多次滾壓，讓樹脂滲透到纖維內，去除氣泡，多層粘貼時要重復以上步驟，粘貼以后必須等碳纖維材料干燥以后才能進行下一層的碳纖維布粘貼工作。最外層的碳纖維層表面要均勻涂抹一層粘貼膠料，防止加固層被損壞。

4 質量控制要點

所有碳纖維材料進入施工現場的時候，施工人員要對材料以及配套樹脂粘接材料進行檢查，檢查材料是否有合格證、出廠證明，并對材料進行抽樣檢測。只有經過檢驗以后，確定材料符合施工要求，才能施工。粘貼碳纖維片的時候，碳纖維片要大于原來混凝土結構的面積，但是粘貼的位置與設計位置的偏差不能太大，控制在10 mm以內。施工以后要對碳纖維片材與混凝土結構粘貼的質量進行檢查，輕輕按壓或者用小錘子敲打粘接好的材料表面，粘接材料的有效面積不能少于95%,如果粘接材料的空鼓面積大于10 000 mm，則要將空鼓面積全部切除，然后重新粘接材料。如果小于10 000 mm,則可以直接在空鼓內注射樹脂。碳纖維具有導電性,所以要遠離電源和電氣設備，與其配套的樹脂要密封處理，避免陽光直射，并遠離火源。

5 小結

碳纖維材料具有高彈性模量、高抗拉強度以及耐腐蝕性等優點,將其運用在混凝土加固結構中，施工方便，能夠適應各種各種結構的修補，并封閉混凝土裂縫,在不增加混凝土結構自重的情況下，提高混凝土的抗震、抗剪切力。

[1]唐建軍,朱小林.探討結構碳纖維加固施工技術措施[J].城市建設理論研究（電子版）,2015(8)：745-746.