浅谈碳纤维材料在既有建筑改造加固中的应用

摘要：碳纤维片材具有高强、轻质、抗腐蚀、耐老化等卓越的性能，是既有建筑改造加固一种较为理想的新材料，随着科技的飞速发展和与国际技术的接轨，碳纤维材料在我国既有建筑改造加固中的运用已经相对成熟，本文结合加固理论及施工注意事项，阐述碳纤维片材的性能与在既有建筑改造加固中的应用。

关键词：碳纤维片材;建筑改造;结构加固;施工工艺

0前言

在碳纤维增强聚合物是一种新兴的高强材料，最早应用于航空航天等高科技领域，近年来在土木工程领域中的研究与应用得到了迅速发展，较之传统的结构加固方法，碳纤维加固技术是一种新型的结构加固技术，它具有高强、高效、施工便捷、使用面广等优点。碳纤维加固技术是利用改性环氧树脂类胶结材料将碳纤维片材粘贴于混凝土表面，从而达到结构补强及改善受力性能的目的。此项技术在国内外等发达国家已成熟运用，虽取得了一定的成果，但至今尚未形成系统的理论。

1 碳纤维布结构加固技术

粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的(抗弯、抗剪)承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。碳纤维增强聚合物(CarbonFibreReinforcedPolymer简称CFRP，也称为碳纤维增强塑料)是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点：

(1)强度高，强度约为普通钢材的10倍，效果好;

(2)加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性;

(3)自重轻，约200g/m2，基本不增加结构自重及截面尺寸;柔性好，易于裁剪，适用范围广;

(4)施工简便，不需大型施工机构及周转材料，易于操作，施工工期短，经济性好。

因此，碳纤维结构加固技术在混凝土结构方面已产生较大的经济效应。

一般来说，构件受弯破坏的典型破坏形式是产生横贯受拉区至受压区的集中裂缝，而构件受拉区表面粘贴了碳纤维片后，当构件受荷载作用时，裂缝难以进一步扩展。因此，跨中的集中裂缝被分散成短小而细碎的裂缝并均匀地分散于构件的受拉区，使构件截面受压区高度增大，在碳纤维的增强作用下，使受弯构件的承载能力增加，而对于墩柱结构的脆性破坏来说，主要是纵筋的细节设计不当或横向箍筋的约束不足，致使墩柱的强度与韧性指标偏低造成的，这时可在主筋或箍筋不足的断面粘贴碳纤维片和沿柱的周边环包碳纤维片，由于碳纤维片具有高强度、高弹性模量性能，可以有效地约束柱的侧向变形，提高墩柱的强度和韧性，从而提高其振震性能。

2 加固设计原理与方法

根据钢筋混凝土结构设计理论，碳纤维加固混凝土结构基于以下4个基本假定：

(1)平面假定，即碳纤维加固混凝土受弯构件截面的应变满足平面变形假设，钢筋和碳纤维的应变与相同位置处的混凝土相同。

(2))混凝土的应力应变关系，受压混凝土的应力应变关系采用现行规范建议的模式，当压变达到极限应变时，混凝土被压碎，受拉混凝土应力应变关系近似按线性取用，当拉应力超过其抗拉强度时，混凝土退出工作。

(3)钢筋的应力应变关系，采用理想的弹性材料模式。

(4)加固所用布为完全理想粘结，即表示混凝土与碳纤维布之间没有滑移，碳纤维布，钢筋和混凝土同时达到极限状态，在实际设计时，考虑构件安全性和简化设计，可以近似认为碳纤维的拉应变等于钢筋拉应变，按受力相等的原则可将碳纤维的面积转化为等效钢筋面积。

3 加固施工

一般工艺流程为：卸荷——基底处理——涂底胶——找平——粘贴——保护。考虑本工程特殊施工环境因素，加固中应进行卸荷，加固前先将板面粉刷层及板面杂物清除，加固施工中，应先凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。

3.1 基底处理

(1)混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。

(2)混凝土角磨机，砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构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，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R>20mm)。

(3)风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。

3.2 涂底胶

按配合比主剂：固化剂为3：1配置底胶，将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间，一般情况下20min--50min内用完，将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后(固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准)再进行下一工序施工，一般固化时间为6h--24h。

3.3 找平

(1)混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。

(2)转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm，待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。

3.4 粘贴

(1)按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。

(2)调配，搅拌粘贴材料粘结剂(使用方法与底胶相同)，然后均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接。混凝土拐角等部位要多涂刷一些，涂刷厚度要比底胶稍厚，严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。

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