碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的原理與施工技術(shù)探討

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摘要：粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維布 加固

　　1、碳纖維布結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介

　　粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。

　　碳纖維增強(qiáng)聚合物（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP，也稱(chēng)為碳纖維增強(qiáng)塑料）是由環(huán)氧樹(shù)脂粘高抗拉強(qiáng)度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：a、強(qiáng)度高（強(qiáng)度約為普通鋼材的10倍），效果好；b、加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；c、自重輕（約200g/m2），基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣；d、施工簡(jiǎn)便（不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），易于操作，經(jīng)濟(jì)性好；e、施工工期短（本工程實(shí)例僅用一周）；因此，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)方面已產(chǎn)生較大的效應(yīng)。

　　碳纖維加固技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。

　　2、碳纖維布加固的原理

　　用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)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(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類(lèi)推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)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(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的。

　　3、工程概況

　　某制藥廠(chǎng)保太松車(chē)間建于1984年，因長(zhǎng)期受腐蝕性氣體的侵蝕，三根薄腹梁下弦混凝土與鋼筋均遭受?chē)?yán)重腐蝕，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、酥松、剝落，下弦鋼筋銹蝕、剝落，鋼筋受力截面削弱，危及結(jié)構(gòu)安全，影響工人的生產(chǎn)情緒；經(jīng)與設(shè)計(jì)人員一起進(jìn)行分析比較，選擇粘貼碳纖維布進(jìn)行加固，能防止腐蝕性氣體的侵蝕，延長(zhǎng)梁的使用壽命。

　　4、碳纖維布加固的依據(jù)及前提

　　4.1碳纖維布加固的依據(jù)

　　⑴某制藥廠(chǎng)提供的保太松車(chē)間圖紙。

　　⑵屋架的腐蝕情況。

　?、潜「沽旱膶?shí)際檢測(cè)強(qiáng)度。

　?、取痘炷两Y(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》。

　　4.2碳纖維布加固的前提

　　首先，利用回彈法對(duì)薄腹梁混凝土進(jìn)行檢測(cè)，以供加固參考。經(jīng)檢測(cè)，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度為C30.

　　根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，及現(xiàn)場(chǎng)混凝土、鋼筋的腐蝕情況，考慮提高下弦的抗拉強(qiáng)度等級(jí)，為此，將610mm寬的T700S型碳纖維布裁成兩半，分兩層粘貼在下弦的底面及兩側(cè)（薄腹梁下弦寬度為200mm），加固后，相當(dāng)于增加原受拉鋼筋面積的46%，彌補(bǔ)了由于原鋼筋銹蝕而造成的截面削減，構(gòu)件的承載力得到加強(qiáng)，而且，總體配筋率ρmin≤ρ≤ρmax，可以滿(mǎn)足使用要求。

　　4.3碳纖維布的設(shè)計(jì)

　　因梁底寬度為200mm，而碳纖維布的寬度為610mm，兼顧加固時(shí)碳纖維布的幅寬效應(yīng)及下弦的受拉范圍，考慮將碳纖維布裁為兩半，一層為300mm寬，一層為310mm寬，分兩層粘貼在梁的下側(cè)及兩面?zhèn)冗叄▋蓚?cè)邊高度為50-55mm），應(yīng)注意：轉(zhuǎn)角處須處理成圓角（R≥10mm）。

　　5、碳纖維布加固的施工

　　5.1施工準(zhǔn)備

　　5.1.1施工材料的準(zhǔn)備

　　遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院生產(chǎn)的JGN-C膠（底膠）及JGN-P膠（粘著膠），T700S型碳纖維布。

　　5.1.2輔助材料的準(zhǔn)備

　　專(zhuān)用滾筒，刮板，角向磨光機(jī)，剪刀，鑿子，榔頭，臺(tái)秤，丙酮。

　　5.1.3搭設(shè)腳手架

　　按安全規(guī)程要求搭設(shè)好腳手架，高度以方便施工為前提。

　　5.2施工工藝

　?、虐盐菁芟孪冶桓g部位的疏松混凝土鑿掉，把銹蝕的鋼筋用鋼絲刷刷掉被銹蝕層。

　?、蒲a(bǔ)粉鑿除的混凝土梁用SJ-601防腐砂漿補(bǔ)粉鑿除的混凝土梁（對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)），并養(yǎng)護(hù)三天。

　　⑶用壓縮空氣將表面浮塵清除干凈[未鑿部位（需加固處）用混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)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]，用丙酮將需粘貼處清洗干凈。

　?、韧康啄z將JGN -P膠甲乙組分按需按3：1的重量稱(chēng)好，放在潔凈的容器中調(diào)和均勻，用刮板將它均勻地涂在屋架底面（兩側(cè)刮150mm），待膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn)）再進(jìn)行下一工序施工。注意：調(diào)好的底膠須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用完，一般情況下40min內(nèi)用完。

　?、烧移交炷帘砻姘枷莶课挥眯扪a(bǔ)膠（JGN-C膠摻入兩倍粉料）填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用修補(bǔ)膠填補(bǔ)，盡量減少高度差。

　　⑹粘貼碳纖維布將JGN -C膠甲乙組分按3：1的重量稱(chēng)好，放在潔凈的容器中調(diào)和均勻，用刮板將膠均勻地涂刮在底膠上需粘貼碳纖維布處，隨即把按設(shè)計(jì)要求已裁剪好的碳纖維布粘貼在設(shè)計(jì)部位，然后用專(zhuān)用滾子沿碳纖維布的受力方向來(lái)回滾壓，擠出汽泡。待指觸干燥后，即可以進(jìn)行第二道碳纖維布的粘貼，方法同第一道。注意：碳纖維布的搭接長(zhǎng)度一般為100mm，端部用橫向碳纖維布固定。

　?、藘傻捞祭w維布粘貼完，待指壓干燥后，再刮涂一層JGN-C面膠，來(lái)回滾壓，使膠充分滲入到碳纖維布中去。

　?、檀婺z指觸干燥后，表面做一層保護(hù)層（防火涂料或水泥砂漿）。

　　6、有關(guān)材料的技術(shù)指標(biāo)

　　目前，國(guó)內(nèi)碳纖維材料及配套結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)廠(chǎng)家有多家，選購(gòu)前應(yīng)認(rèn)真了解材料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及操作說(shuō)明，我所所用的各材料指標(biāo)如表1～表3.

　　 表1結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)用碳纖維材料（CFRP-T700S）主要性能指標(biāo)

抗拉強(qiáng)度（MPa）　 彈性模量（MPa）　 延伸率
（%）　 密度
（g/cm³）　 耐腐蝕性　 浸透性　 均勻度　 5000　 2.35×10⁵　 2.1　 1.8　 優(yōu)　 良好　 良好　

　　 　　 表2碳纖維織物數(shù)據(jù)

單位面積重量（g/m²）　 徑向纖維　 緯向纖維　 徑向密度
根/cm　 緯向密度
根/cm　 220　 碳纖維　 尼龍線(xiàn)　 2.65　 1.6　 徑向重量比例
%　 緯向重量比例
%　 碳布寬度
（mm）　 積層厚度
（mm）　 積層厚度為加入樹(shù)脂后其纖維體積含量為50%時(shí)的厚度　 99　 1　 610　 0.2　

　　 表3建筑結(jié)構(gòu)膠主要技術(shù)性能指標(biāo)

結(jié)構(gòu)膠名稱(chēng)　 JGN-C　 JGN-P　 作用　 粘貼碳纖維專(zhuān)用膠　 與JGN-C配套使用的底膠　 外觀(guān)　 甲組分　 白色蠟狀膏體　 無(wú)色透明液體　 乙組分　 棕色液體　 棕紅色液體　 粘接拉伸強(qiáng)度（MPa）　 ＞30.0　 粘接強(qiáng)度（混凝土-混凝土）　 混凝土破壞　 拉伸剪切強(qiáng)度（MPa）　 ＞20.0　 　　 壓縮強(qiáng)度（MPa）　 ＞50.0　 　　 彎曲強(qiáng)度（MPa）　 ＞30.0　 　　 混合黏度（20℃時(shí)）　 ＜5000cp（不流掛）　 　　 涂布量　 0.6～1.0kg/m²　 0.25～0.3kg/m²　 適用期（20℃時(shí)）　 ＞90min　 可使用時(shí)間　 20～40min　 硬化時(shí)間（20℃時(shí)）　 ＜3.0h　 指干時(shí)間（20℃時(shí)）　 　　 甲:乙=3:1　 甲:乙=3:1　 使用溫度　 10～35℃　 　　 　　7、結(jié)論

　　根據(jù)加固原理可知，在施工前必須選擇合適的粘結(jié)劑，認(rèn)真查看材料的質(zhì)保書(shū)及使用說(shuō)明，掌握材料的各有關(guān)參數(shù)，以確保它有足夠的強(qiáng)度，能保證碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作；在施工過(guò)程中，參照使用說(shuō)明，每道膠都必須處理好，特別是粘貼碳纖維布的JGN-C膠，應(yīng)盡可讓膠充分地滲入到碳纖維絲之間（細(xì)部空鼓處，可用針筒注射膠），確保相互共同工作。

　　通過(guò)對(duì)某制藥廠(chǎng)工程實(shí)例的施工操作，深深體會(huì)到碳纖維布結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介中介紹的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，該工程施工時(shí)，在確保安全的前提下，僅用了簡(jiǎn)單的腳手架，而且，碳纖維布裁剪非常方便，可以根據(jù)形狀及尺寸隨意裁剪，在各種支架的遮擋處可隨意穿過(guò)，施工非常方便；另外，從2001年5月7日加固后到現(xiàn)在，在腐蝕性氣體的侵蝕下，至今未見(jiàn)有被腐蝕處；該工程從開(kāi)工到結(jié)束僅7天（包括搭、拆腳手），工總費(fèi)用僅約為11000.00元。

　　由此可見(jiàn)，碳纖維布加固結(jié)技術(shù)的點(diǎn)很明顯，應(yīng)用前景很光明。

　　8、探討

　　粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益；在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，碳纖維布主要是分擔(dān)鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，那么在其它的結(jié)構(gòu)中，碳纖維布能否起到加強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的作用呢？因?yàn)樘祭w維布在結(jié)構(gòu)膠的作用下強(qiáng)度很高，其它結(jié)構(gòu)在用碳纖維布加固后，會(huì)否象類(lèi)似鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的超筋截面破壞一樣產(chǎn)生負(fù)面影響呢？

　　目前我所正在探索應(yīng)用碳纖維布加固磚砌體的技術(shù)（如磚砌體在外界環(huán)境影響下產(chǎn)生的裂縫修補(bǔ)，采用碳纖維布來(lái)提高砌體的某些力學(xué)性能），該技術(shù)是粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)領(lǐng)域中的新生事物，如能成功，必將也能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)