芻議碳纖維在建筑結構加固工程中的應用

周宏

（金華職業技術學院，浙江 金華321000）

1 引言

在舊城改造等工作得以大范圍開展的背景下，建筑結構加固工程得到了廣泛施工。面對各種類型的建筑，加固改造難度較大，還要引入新型結構加固技術來保證加固效果。而碳纖維由含碳量超90%的無機高分子纖維構成，具有強度高、質量輕等特點，能夠用于代替鋼筋進行補強加固。因此，有必要加強碳纖維在建筑結構加固工程中的應用研究，從而推動工程加固技術的發展。

2 碳纖維用于結構加固的原理

在建筑結構加固方面，采用碳纖維可以對多種混凝土受力構件進行加固。將碳纖維直接粘貼在構件上，可以發揮約束作用，形成整體受力結構，協同對抗外界作用，促使材料耐壓能力得到提高，并且使構件發生破壞的時間得到延緩，達到增強結構抗震性的目標【1】。對抗彎構件進行加固，代替傳統鋼筋材料能夠使構件在小應力條件下部發生開裂問題，應力變大時能夠使構件體現出高強度特征，得到整體抗彎能力提升。對抗剪構件進行加固，頻繁遭遇剪切作用力，碳纖維能夠發揮箍筋作用，避免材料在短時間內受到破壞。從碳纖維應用原理上來看，通過選擇合理的黏結材料，能夠充分發揮碳纖維和混凝土組合受力作用，促使構件加固補強需求得到滿足。如圖1 所示，相較于普通的混凝土材料，采用碳纖維增強得到的混凝土性能優異。在對材料施加應力的過程中，采用碳纖維材料可以與混凝土共同承受外界載荷，在OA 階段使應力（σ）-應變（ε）保持線性關系，結構發生彈性形變。發展至AB 階段，在外界載荷作用下，材料內部碳纖維被拔出，期間大量能量被吸收，增強了材料韌性，因此可以使材料抗裂性能得到增強。在相同的應變條件下，碳纖維混凝土材料可以承受的最大應力明顯得到了提升。因此，應用碳纖維能夠使材料裂紋密度得到增加，在抵抗外界沖擊時可以避免構件崩潰，促使結構韌性得到增強【2】。

圖1 普通混凝土與碳纖維混凝土的應力- 應變曲線圖

3 碳纖維在建筑結構加固工程中的應用分析

3.1 工程概況

針對某廢舊建筑進行處理，采用回彈法對建筑各部分結構強度實施檢測，發現建筑可以繼續使用，但現有條件無法滿足抗震性要求，還須利用碳纖維材料進行結構加固施工。根據檢測結果可知，建筑主次梁位置混凝土結構應進行補強加固，促使梁柱下部強度等級得到提高【3】。

3.2 技術方案

按照GB 50367—2006《混凝土結構加固設計規范》規定，選擇的碳纖維布主要可以劃分為Ⅰ和Ⅱ2 個等級，各項力學性指標應符合規格要求，碳纖維布力學性能指標見表1。在市面上，片材重量通常為2 000N/m2（200g/m2）或3 000N/m2（300g/m2），對應的理論厚度分別為0.111m 和0.167m。結合建筑梁寬尺寸，針對350mm 梁，由于無350mm 規格的碳纖維布，還要選擇200mm×150mm 碳纖維片材，做到不留空拼接，具體粘貼3 層Ⅰ級建筑碳纖維布。對U 型箍進行粘貼，需要選用200mm 寬碳纖維布，使碳纖維布邊到邊保持100mm 凈間距。在梁頂部位，需要增設150mm 碳纖維壓條。

表1 碳纖維布力學性能指標

結合結構加固補強需求，在確定碳纖維布規格后，還要對其凈面積進行計算：

式中，Ag為碳纖維布凈面積；t為碳纖維布計算厚度；B為碳纖維布的寬度，n為碳纖維布的粘貼層數。

根據相關參數，也可以直接對加固混凝土的碳纖維布用量進行計算：

式中，Acf為材料用量，Rcf為碳纖維布抗拉設計強度，Rf為用于抵抗不足彎矩的鋼筋面積。

3.3 加固施工

3.3.1 施工準備

實際在應用碳纖維進行結構加固構成中，需要對各構件受力情況展開分析，確定結構加固施工不會對其他構件產生影響，然后對無關構件進行拆卸。在完成荷載卸除后，可以進行基底處理，保證結構加固質量。發現混凝土出現腐蝕問題，需要將表層混凝土去掉，確認鋼筋是否發生銹蝕問題。如果發生銹蝕，需要將銹層鏟除。針對混凝土表面，需要通過預處理將空鼓、蜂窩等缺陷清除。如果需要清除的面積較大，應利用環氧砂漿修復。如果結構避免出現裂縫，還要實施全面封閉處理，利用角磨機或砂紙對表面進行打磨，將油漬和雜物清除，保證表面平整、潔凈。針對轉角位置，需要打磨成圓弧狀，利用鼓風機進行表面清理，使表面保持干燥。

3.3.2 底膠涂抹

在完成基底處理后，可以按照3∶1 比例對主劑和固化劑進行混合，完成底膠配置。在實踐施工中，需要利用電子秤進行精確計量，保證底膠配置效果。利用電動攪拌機將底膠攪拌均勻后，可以采用滾筒刷在混凝土表面均勻涂抹底膠，固化后，進行下一步工序施工。底膠的使用容易受到溫度影響，還應在完成底膠配置后的45min 內完成底膠涂抹，以免因底膠凝固氧化而無法施工。此外，環境濕度也將給施工質量帶來影響，還應確保現場相對濕度不超70%。在底膠涂抹階段，需要同時開展找平作業，發現凹陷位置及時利用修補劑進行處理，如模板接頭高差超限位置還應體現修平，以免影響后續施工。

3.3.3 粘貼防護

在碳纖維布粘貼階段，需要結合技術方案完成碳纖維材料裁剪。實際在粘貼時，需要提前完成黏結劑的配制，然后在混凝土表面涂抹，厚度應超出底膠層厚，至少為2mm，避免出現漏涂問題。利用刮板進行刮涂操作，能夠保證膠均勻分布。

針對碳纖維邊緣，應適當增加涂抹量，如搭接位置和拐角位置。針對混凝土方柱，需要采用纏繞方式粘貼，從上方開始向下纏繞，保證材料均勻粘貼，使柱的荷載能力得到提高。在正截面構件上粘貼碳纖維布，應保證粘接材料得到正確組合。按照施工規范，材料沿著纖維方向的粘貼長度至少應達到200mm，搭接長至少達到100mm。粘貼后，需要利用滾壓工具進行表面處理，使材料內部的氣泡得到去除，并保證碳纖維與黏結劑接觸充分。在實際施工中，由于需要完成多層碳纖維材料的粘貼，還要確保每層材料干燥后才能進行下一層材料粘貼。完成碳纖維材料粘貼后，需要按照規定養護，在提升材料耐久性的同時，避免加固后的構件發生損壞。結合這一目標，需要在外部涂抹水泥砂漿，選用防火防護涂料。

3.4 注意事項

在結構加固工程中應用碳纖維材料，為保證結構加固效果，需要在各道工序完成后進行質量驗收，對各道工序參數進行準確、詳細記錄，以便發現問題后能夠參照相關數據進行有效處理。在整個過程中，重點需要加強碳纖維材料質量和粘貼質量管控。在粘貼前，應嚴格按照要求進行材料檢測，確保材料力學性能達到要求，保證材料質量合格。在粘貼后，可利用小錘敲擊方式確定粘貼質量，發現局部不牢固還要采用針管對黏結劑進行注射。如果檢測發現粘貼面積未能達到90%以上，說明施工質量不符合要求，需要重新施工。

4 結語

綜上所述，在建筑結構加固工程中，應用碳纖維材料能夠使構件抗彎性能、承力性能等各種性能得到提升，保證建筑結構的穩固性。而在實際應用的過程中，還應結合建筑結構加固需求提出合理技術方案，并加強各道工序施工管理，使工程質量得到保證。