碳纤维片材加固混凝土结构的施工应用

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摘要： 碳纤维片材加固混凝土结构技术是一种适用、经济、新型的结构加固法。该法与传统的结构加固技术相比，以其轻质高强、耐腐蚀性和耐久性强、施工便捷、对结构影响小等优点，广泛应用于国内外结构加固改造工程中。
关键词：碳纤维片材；加固技术；施工
中图分类号：TU528．572 文献标识码：B 文章编号：1000—4637(2005)05—40—02O 前言 碳纤维增强聚合物(Carbon Fiber ReinforcedPloymer，简称CFRP)是一种新兴的高强材料，近年来在建筑工程领域的研究与应用得到了迅速发展。与传统的结构加固方法相比，碳纤维加固技术是一种新型高效的加固修复技术，它具有高强、高效、施工便捷、使用面广等优点。其中，碳纤维片材加固修复技术工法主要采用“三步法”，即分别用底层树脂、找平材料和浸渍树脂的双组份树脂粘结材料，将碳纤维片材粘贴在结构构件外表面，以达到加固补强的目的。目前除了在混凝土中应用以外，正逐渐推广到砌体结构、钢结构，甚至木结构的加固修复之中。1 碳纤维片材加固特点 在混凝土结构工程的加固技术中，碳纤维片材加固与电化学加固技术、粘钢加固技术相比，具有以下特点。1．1 与电化学加固技术相比 (1)在混凝土结构工程加固中，碳纤维片材可以敷设粘贴于结构需要部位，不改变结构形状，不影响结构外观。尤其是对于海工钢筋混凝土结构，处于浪涌区的梁、板、肋、柱的底面、侧面。而阴极保护系统对于构件底、侧以及特种结构的施工设计有难度，有时难以实现。 (2)电化学加固方法中阴极保护系统要增加原结构自重；而碳纤维片材加固基本不增加结构永久荷载或增加很少，碳纤维片材粘贴后， 每m 重量不到1．0kg，粘贴一层的厚度仅为lmm，加固修补后，基本不增加现有结构的自重及尺寸。(3)电化学加固方法无法对加固效果进行可靠评估；碳纤维片材加固可以按照混凝土结构计算方法进行加固设计计算，从而使加固效果得以保证，对结构加固后使用期限及可靠度的计算成为可能。1.2与粘钢加固技术相比 (1)粘钢加固技术操作复杂；碳纤维片材加固施工便捷、高效、具有良好的可操作性，加固施工时无需螺栓、铆钉固定，对现有结构扰动小，不会影响现有结构的整体性，施工质量易于保证。 (2)粘钢加固技术不能用于含盐的土壤环境、海洋环境、化学物质侵蚀的环境，因此在地下结构、给排水结构、水工结构、港工结构、化工车间等的易锈蚀工程的加固中受到限制。而调查表明，这几类结构物正是出现锈胀破坏最为严重的结构。碳纤维片材加固技术恰能适应这几类结构物的加固。2 加固方案设计依据 本地区某百货商场一期改造工程中，经过现场勘察和设计计算，发现结构第1层、第2层及第5层由于使用功能的改变，局部梁抗弯承载力无法满足使用要求，经方案比较，采用梁底长度方向粘贴碳纤维片材，梁端附加碳纤维片材制成U字箍，既对梁底碳纤维片材有较好的锚固作用，也提高了梁端部的抗剪承载力。其加固设计依据为： (1)沿构件主轴方向粘贴碳纤维片材，以提高构件正截面的抗弯能力。 (2)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，由碳纤维与原有箍筋共同分担剪力以提高构件的抗剪承载力。 (3)沿与构件主轴垂直方向粘贴碳纤维，以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在国内工程中应用最多的是第一种方式，即加固修复提高梁板正截面承载能力，使之满足使用功能要求。3 碳纤维复合材料的选择 加固修复混凝土结构所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维与配套树脂粘结剂。碳纤维是高强高弹性模量材料，抗拉强度是钢材的十几倍。建筑粘结剂种类繁多，选择与某种碳纤维片材相容性好的粘结剂是关键。树脂粘结剂的粘结强度应大于混凝土的拉伸剪切强度，且具有适宜的工作粘度，以便于施工操作。与碳纤维相配套的树脂粘结剂一般由4部分组成。即底层粘结剂、找平材料、浸渍树脂和防护材料。 (1)底层粘结剂必须能渗透进混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础。 (2)找平材料用来修补结构表面的平整度，以便使用片材。 (3)浸渍树脂用以浸渍碳纤维片材在混凝土表面形成原位层板。 (4)防护材料用以保护碳纤维片材免受外界条件的影响，延长其使用寿命。 经过多方分析比较及其它一些试验，采用的碳纤维材料和粘结剂的性能如表1、表2所示。

4 施工工艺4．1 碳纤维复合材料加固混凝土结构施工工艺流程混凝土结构表面处理一配制并涂刷底层粘结剂一面层找平处理一粘贴树脂的配制并浸润碳纤维一粘贴碳纤维片材一表面防护。4．2 施工要点 (1)混凝土表面的处理程度直接影响加固效果。表面要打磨平整直到露出新面，涂底层粘结剂前，再用丙酮清洗一遍。 (2)碳纤维片材一定要用粘贴树脂浸透，尽可能让粘结剂充分渗入碳纤维单丝之间的空隙中，提高各单丝之间的共同工作性能。 (3)浸润后的碳纤维片材用手轻压贴于需要的位置，用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平衡压实，使树脂从两边溢出，保证碳纤维片材与结构之间密实无空洞，或者保证有效粘贴面积不小于95%。 (4)碳纤维片材沿其纤维方向折直角会导致应力集中，影响其强度发挥。施工时将角部磨成圆角，可减少应力集中，碳纤维片材的强度基本不受影响。5 施工概况5．1 施工质量易保证 碳纤维片材加固混凝土结构技术的施工操作方便，在正常施工条件下碳纤维片材的有效粘结面积基本可以达到100%，且现场检测方便，即使有小的空鼓，也可以用针管注胶法补救，施工质量可以得到有效保证。5.2 施工干扰小 在较小的空间中即可实施碳纤维片材加固结构的施工， 除了混凝土表面处理时的灰尘需要控制以外，对一般结构物的正常使用几乎无任何干扰。在对桥梁、道路进行碳纤维片材加固施工时，可以不中断交通。5．3 施工周期短 碳纤维片材加固混凝土结构不需要大型机具、设备，在保证施工质量和无意外干扰的前提下，同样条件下所需时间不足目前国内大量应用的粘钢板方法所需时间的1／2。在施工组织较好的情况下，10个工日可以完成lO00m2 的工作量。成品的碳纤维片材是一种织物，其幅宽可以为20cm、30cm、50cm不等，长度为50-lOOm，卷状包装，现场使用时可以根据需要用剪刀或刀片将其任意裁剪，不象裁钢板一样需要专门的切割工具。根据有关统计资料，同为粘贴加固工法，粘贴碳纤维片材是粘贴钢板施工工效的4-8倍。6 结论 (1)碳纤维片材加固混凝土结构的施工周期很短，效率高、材料由人工在现场加工；没有大中型设备的损耗；检测方便、快捷，同时在较小的空间即可进行施工，基本不影响结构的正常使用，施工便捷，工期短，对各种结构构件的外形大都可以使用该方法加固，同时由于材料自重较轻，加固后基本不增加结构自重，不改变结构外观尺寸和形状，与其它加固方法相比，节省了大量的机械台班费、人工费和检测费。 (2)运用该技术施工时对环境的干扰影响很小，符合现代工程建设对施工技术的要求，有利于环境保护，从长远看，该技术将在结构加固领域占据主导地位。

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