碳纤维布加固混凝土结构的原理与施工技术探讨

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摘要：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。

　　关键词：碳纤维布 加固

　　1、碳纤维布结构加固技术简介

　　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（Carbon Fibre Reinforced Poly-mer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：a、强度高（强度约为普通钢材的10倍），效果好；b、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；c、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；d、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；e、施工工期短（本工程实例仅用一周）；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效应。

　　碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。

　　2、碳纤维布加固的原理

　　用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍；但是，碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。

　　3、工程概况

　　某制药厂保太松车间建于1984年，因长期受腐蚀性气体的侵蚀，三根薄腹梁下弦混凝土与钢筋均遭受严重腐蚀，导致保护层混凝土开裂、酥松、剥落，下弦钢筋锈蚀、剥落，钢筋受力截面削弱，危及结构安全，影响工人的生产情绪；经与设计人员一起进行分析比较，选择粘贴碳纤维布进行加固，能防止腐蚀性气体的侵蚀，延长梁的使用寿命。

　　4、碳纤维布加固的依据及前提

　　4.1碳纤维布加固的依据

　　⑴某制药厂提供的保太松车间图纸。

　　⑵屋架的腐蚀情况。

　　⑶薄腹梁的实际检测强度。

　　⑷《混凝土结构加固技术规程》。

　　4.2碳纤维布加固的前提

　　首先，利用回弹法对薄腹梁混凝土进行检测，以供加固参考。经检测，混凝土的实际强度为C30.

　　根据设计图纸，及现场混凝土、钢筋的腐蚀情况，考虑提高下弦的抗拉强度等级，为此，将610mm宽的T700S型碳纤维布裁成两半，分两层粘贴在下弦的底面及两侧（薄腹梁下弦宽度为200mm），加固后，相当于增加原受拉钢筋面积的46%，弥补了由于原钢筋锈蚀而造成的截面削减，构件的承载力得到加强，而且，总体配筋率ρmin≤ρ≤ρmax，可以满足使用要求。

　　4.3碳纤维布的设计

　　因梁底宽度为200mm，而碳纤维布的宽度为610mm，兼顾加固时碳纤维布的幅宽效应及下弦的受拉范围，考虑将碳纤维布裁为两半，一层为300mm宽，一层为310mm宽，分两层粘贴在梁的下侧及两面侧边（两侧边高度为50-55mm），应注意：转角处须处理成圆角（R≥10mm）。

　　5、碳纤维布加固的施工

　　5.1施工准备

　　5.1.1施工材料的准备

　　辽宁省建设科学研究院生产的JGN-C胶（底胶）及JGN-P胶（粘着胶），T700S型碳纤维布。

　　5.1.2辅助材料的准备

　　专用滚筒，刮板，角向磨光机，剪刀，凿子，榔头，台秤，丙酮。

　　5.1.3搭设脚手架

　　按安全规程要求搭设好脚手架，高度以方便施工为前提。

　　5.2施工工艺

　　⑴把屋架下弦被腐蚀部位的疏松混凝土凿掉，把锈蚀的钢筋用钢丝刷刷掉被锈蚀层。

　　⑵补粉凿除的混凝土梁用SJ-601防腐砂浆补粉凿除的混凝土梁（对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复），并养护三天。

　　⑶用压缩空气将表面浮尘清除干净[未凿部位（需加固处）用混凝土角磨机、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]，用丙酮将需粘贴处清洗干净。

　　⑷涂底胶将JGN -P胶甲乙组分按需按3：1的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀，用刮板将它均匀地涂在屋架底面（两侧刮150mm），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。注意：调好的底胶须在规定的时间内用完，一般情况下40min内用完。

　　⑸找平混凝土表面凹陷部位用修补胶（JGN-C胶掺入两倍粉料）填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补胶填补，尽量减少高度差。

　　⑹粘贴碳纤维布将JGN -C胶甲乙组分按3：1的重量称好，放在洁净的容器中调和均匀，用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上需粘贴碳纤维布处，随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位，然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚压，挤出汽泡。待指触干燥后，即可以进行第二道碳纤维布的粘贴，方法同第一道。注意：碳纤维布的搭接长度一般为100mm，端部用横向碳纤维布固定。

　　⑺两道碳纤维布粘贴完，待指压干燥后，再刮涂一层JGN-C面胶，来回滚压，使胶充分渗入到碳纤维布中去。

　　⑻待面胶指触干燥后，表面做一层保护层（防火涂料或水泥砂浆）。

　　6、有关材料的技术指标

　　目前，国内碳纤维材料及配套结构胶的生产厂家有多家，选购前应认真了解材料的相关技术指标及操作说明，我所所用的各材料指标如表1～表3.

　　 表1结构加固修补用碳纤维材料（CFRP-T700S）主要性能指标

抗拉强度（MPa）　 弹性模量（MPa）　 延伸率
（%）　 密度
（g/cm³）　 耐腐蚀性　 浸透性　 均匀度　 5000　 2.35×10⁵　 2.1　 1.8　 优　 良好　 良好　

　　 　　 表2碳纤维织物数据

单位面积重量（g/m²）　 径向纤维　 纬向纤维　 径向密度
根/cm　 纬向密度
根/cm　 220　 碳纤维　 尼龙线　 2.65　 1.6　 径向重量比例
%　 纬向重量比例
%　 碳布宽度
（mm）　 积层厚度
（mm）　 积层厚度为加入树脂后其纤维体积含量为50%时的厚度　 99　 1　 610　 0.2　

　　 表3建筑结构胶主要技术性能指标

结构胶名称　 JGN-C　 JGN-P　 作用　 粘贴碳纤维专用胶　 与JGN-C配套使用的底胶　 外观　 甲组分　 白色蜡状膏体　 无色透明液体　 乙组分　 棕色液体　 棕红色液体　 粘接拉伸强度（MPa）　 ＞30.0　 粘接强度（混凝土-混凝土）　 混凝土破坏　 拉伸剪切强度（MPa）　 ＞20.0　 　　 压缩强度（MPa）　 ＞50.0　 　　 弯曲强度（MPa）　 ＞30.0　 　　 混合黏度（20℃时）　 ＜5000cp（不流挂）　 　　 涂布量　 0.6～1.0kg/m²　 0.25～0.3kg/m²　 适用期（20℃时）　 ＞90min　 可使用时间　 20～40min　 硬化时间（20℃时）　 ＜3.0h　 指干时间（20℃时）　 　　 甲:乙=3:1　 甲:乙=3:1　 使用温度　 10～35℃　 　　 　　7、结论

　　根据加固原理可知，在施工前必须选择合适的粘结剂，认真查看材料的质保书及使用说明，掌握材料的各有关参数，以确保它有足够的强度，能保证碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作；在施工过程中，参照使用说明，每道胶都必须处理好，特别是粘贴碳纤维布的JGN-C胶，应尽可让胶充分地渗入到碳纤维丝之间（细部空鼓处，可用针筒注射胶），确保相互共同工作。

　　通过对某制药厂工程实例的施工操作，深深体会到碳纤维布结构加固技术简介中介绍的各项优点，该工程施工时，在确保安全的前提下，仅用了简单的脚手架，而且，碳纤维布裁剪非常方便，可以根据形状及尺寸随意裁剪，在各种支架的遮挡处可随意穿过，施工非常方便；另外，从2001年5月7日加固后到现在，在腐蚀性气体的侵蚀下，至今未见有被腐蚀处；该工程从开工到结束仅7天（包括搭、拆脚手），工总费用仅约为11000.00元。

　　由此可见，碳纤维布加固结技术的点很明显，应用前景很光明。

　　8、探讨

　　粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用，并已产生较大的经济效益；在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度，那么在其它的结构中，碳纤维布能否起到加强抗拉强度的作用呢？因为碳纤维布在结构胶的作用下强度很高，其它结构在用碳纤维布加固后，会否象类似钢筋混凝土结构构件的超筋截面破坏一样产生负面影响呢？

　　目前我所正在探索应用碳纤维布加固砖砌体的技术（如砖砌体在外界环境影响下产生的裂缝修补，采用碳纤维布来提高砌体的某些力学性能），该技术是粘贴碳纤维结构加固技术领域中的新生事物，如能成功，必将也能产生较大的经济效应