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1、对碳纤维在钢筋混凝土结构补强加固中应用的研究 【摘要】 主要介绍碳纤维材料作为一种新型建材将有效地解决这个问题，它具有强度高，重量轻，有较强的变形能力，从而能在各种形状结构上进行修补、加固，施工便捷、工效高，将广泛用于建筑物结构老化的处理，有效地增加建筑物的使用寿命。 【关键词】 碳纤维 粘贴 共同作用 结构补强加固 1、钢筋混凝土结构加固补强加固方法的简介 1.1传统的加固技术 对钢筋混凝土结构的加固补强经过了结构工程师们长期的实践和总结，主要采用了加大载面加固法、外包钢法和粘钢加固法、增加附加支撑、改变受力体系加固法、预应力加固法、修补法。 这些方法对改善建筑物的结构强度、刚度及耐久性等都
2、起到了一定的作用，经过工程实践证明都是行这有效的，而且在今后相当一段时期，仍然会广泛的得到应用。但这些方法在简化工程、满足正常生产要求等方面存在多方面的不足，影响正常生产或生活，采用这些方法加固补强一般应在建筑物停止使用时进行，因此社会效益和经济效益都很差。 碳纤维加固混凝土结构的原理是采用专门的树脂胶将碳纤维粘贴于混凝土结构受拉表面，碳纤维与原结构形成新的受力整体，碳纤维与钢筋共同承受荷载，降低了钢筋应力从而使结构达到了加固和补强效果。 1.2 粘贴碳纤维加固技术 用于建筑结构补强加固的碳纤维材料，其强度一般为建筑钢材的八到十倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平并略有提高，是一种优良的抗拉材料，
3、这些特点为建筑结构补强加固提供了技术支持。与传统的加固技术相比有高强高效、很强的抗腐蚀性能及耐久性、不增加构件的自重及断面尺寸、施工便捷、工效高、施工质量易保证、不影响建筑物的正常使用、使建筑物增寿、适用面广泛等特点。 2、碳纤维加固工程的施工与验收 2.1 加固施工方案的编制依据 采用碳纤维加固工程施工方案的编制依据主要有以下内容： 1、工程设计图纸（原设计图纸和加固设计图纸） 2、混凝土结构加固技术规范（CECS25：90） 3、建筑现场临时用电安全技术规程（JGJ46-88） 4、建筑工程施工现场供用电安全规范（GB50194-93） 5、建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2
4、001） 6、碳纤维片材加固混凝土结构技术规程（CECS146：2003） 2.2 碳纤维施工工艺 碳纤维加固工程施工工艺主要包括施工准备、砼表面处理、配制并涂刷底层树脂粘贴面找平处理、碳纤维布（板）剪裁、涂刷浸渍树脂或粘贴树脂、粘贴碳纤维片材表面防护、施工工序及工艺的验收等。 2.2.1 施工准备 1、施工前应认真阅读原设计和加固设计施工图，按设计图纸在加固部位放线定位; 2、根据现场和被加固构件混凝土的实际情况规定施工方法和施工作业计划; 3、对所使用的碳纤维片材、板材配套树脂、机具等进行详细的了解，掌握要点并做好施工前的准备工作。 2.2.2 混凝土的表面处理 1、应清除被加固构件表面的
5、剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层; 2、被加固构件表面打磨平整（用混凝土表面抛光机具），除去表层浮浆，油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。并用修复材料将表面修复平整; 3、应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理; 4、表面打磨后，应用强力吹风器将表面粉尘彻底清除并保持干燥。 2.2.3 配制并涂刷底层树脂 1、应按产品生产厂家提供的工艺规定配制底层树脂; 2、应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。在底层树脂表面干燥后（且手指触摸无粘附感），尽快进行下一工序的施工。 2.2.4 粘贴面找平处理 1、按产
6、品生产厂家提供的工艺规定配制找平材料; 2、混凝土表面修补应选用丙酮将表面浮尘擦去，有凹陷处，应使用修补胶找平;有段差或转角部位应抹成平滑曲面; 3、转角处应采用找平材料修理或为光滑的圆弧，半径不应小于20mm; 4、用刀头宽度100mm的刮刀对凹坑实施填塞修补、找平，找平程度按目测无明显的刮板或刮刀痕迹纹理平滑为准。 5、应在找平材料表面树脂干燥后尽快进行下道工序施工。 2.2.5 碳纤维布（板）剪裁 1、按设计规定尺寸剪裁碳纤维布（板），切记必须满足设计尺寸，严禁斜切碳纤维布（板）并防止出现拉断现象; 2、保证剪裁后的碳纤维方向与粘贴部位的方向一致; 3、剪裁成型的碳纤维注意保护洁净不受污
7、染。 2.2.6 配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂 1、配制粘结剂前应仔细阅读其使用说明书。 2、按粘贴面积确定每次用量，以防失效浪费。 3、严格按重量比计算使用配制。 4、按厂家配合比和工艺要求进行配制，且应有专人负责。搅拌应顺时针一个方向搅拌直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入。 5、调制好的粘结剂抓紧使用。 2.2.7 粘贴碳纤维材料 粘布： 1、粘贴前应对混凝土表面再次擦试，确保粘贴面无粉尘。 2、混凝土表面涂刷结构胶必须做到涂刷稳、准、匀的要求，即：稳，刷涂用力适度，尽量不流不坠不掉;准，涂刷不出控制线;匀，涂刷范围内薄厚较一致。 3、碳纤维布粘贴时同样要稳、准、匀，核心要求
8、做到放卷用力力适度，使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅。 4、滚压碳纤维必须从一端向另一端滚压，不宜在一个部位反复滚压揉搓，滚压中让胶渗透纤维布，做到浸润饱满。碳纤维布需要搭接时，必须满足规范要求搭接长度100mm。 5、多层粘贴时，应在碳纤维织物表面指触干燥后立即进行下一层的粘贴。如超过40分钟，则应等12小时后再行涂刷粘结剂粘贴下一层。 粘板： 1、按设计要求的尺寸裁剪碳纤维板，并按产品生产厂家提供的工艺规定配制粘结树脂; 2、应将碳纤维板表面擦拭干净至无粉尘。当需粘贴两层时，底层碳纤维板的两面均应擦拭干净; 3、擦拭干净的碳纤维板应立即涂刷粘结树脂，树脂层应呈突起状，平均厚度不应小于2m
9、m; 4、应将涂有粘结树脂的碳纤维板用手轻压贴于需要粘贴的位置。用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使树脂从两边挤出，保证密实无空洞。当平行粘贴多条碳纤维板时，两条板带之间的空隙不应小于5mm; 5、需粘贴两层碳纤维板时，应连续粘贴。当不能立即粘贴时，再开始粘贴前应对底层碳纤维板重新进行清理。 2.2.8 表面保护 碳纤维材料虽然抗拉强度很高，但其抗剪耐磨性很差，尤其遇到锋利金属或粗糙表面摩擦时容易断丝或抽丝，会降低碳纤维与混凝土结构的共同作用。因此，粘贴完碳纤维布或板后应对其表面采取防护措施，如用批刀批树脂、水泥砂浆或用钢丝网箍外抹水泥砂等方法以保护碳纤维表面不受损伤。 2.3 施工安全和注意
10、事项 2.3.1 碳纤维材料为导电材料，因此施工碳纤维材料（剪裁或粘贴过程中）时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施同时也要考虑加固后的结构构件防漏电措施。 2.3.2 在施工过程中要避免碳纤维材料（片板）受到弯折，避免碰锋利器具出现抽丝或断丝。 2.3.3 配套的树脂原料应密封储存，应远离火源并避免阳光直接照射。 2.3.4 配制树脂场所和粘贴施工场所必须保持良好的通风粘结材料配制量应根据作业用量和作业时间控制，不应剩余过量造成浪费。 2.3.5 粘结剂系有毒有害物品，除了要有严格的工作环境之外施工人员必须按要求配戴劳动保护用品。 2.3.6 施工宜在5以上的环境温度条件下进行，当环境
11、温度低于5时应使用适用于低温环境的配套树脂或采取升温处理措施。 2.3.7 如果环境湿度对树脂固化有不利于影响（主要根据树脂胶浆固化时间参数确定）应考虑干燥环境降低环境湿度或采取其它措施。 2.3.8 大气污染严重（主要是指粉尘）或大风阴雨恶劣天气情况下应考虑停止作业。 2.4 检验与验收 2.4.1 施工开始前应确认碳纤维材料和粘结剂，底层树脂、找平材料等产品合格证、质量检验报告。 2.4.2 施工质量检验及验收标准见下表4.4.2 施工质量检验与验收标准记录 序号 检验项目 合格标准 检验方法与频数 1 粘贴位置与设计位置相比 中心线偏差10mm 钢尺测量，全部检查 2 碳纤维粘贴量 大于
12、设计数量 实量，计算全部 3 粘贴质量 a.单个空鼓面积1000 mm2 b.空鼓面积之和<5%总粘贴面积 锤击法，全部 4 粘结剂厚度 板：2mm1.0 织物 <2mm 卡尺测量，每构件3处 2.4.3 粘贴质量发现空鼓必须进行处理，当单个空鼓面积<1000mm2时，采用充胶修复;大于1000 mm2时，割除修补。割除修补时应沿空鼓边沿，将空鼓部分的碳纤维割除，以每边向外缘扩展100mm粘贴碳纤维材料，用同样粘结剂补贴在原处。 2.4.4 混凝土粘贴碳纤维复合材料施工质量现场检验方案： 1、取样： a、现场检验的取样应在粘贴的碳纤维复合材料达到完全固化之日进行，若因故推迟取
13、样日期，除应征得监理单位同意外且不得超过3天; b、对梁、柱构件的取样应以同规格、同型号的构件为一检验批。由检验人员随机抽放受检构件。取们数量按每批构件数的10%确定;但不少于3根，每根受检构件应粘贴不少于3个金属标准试块作为一组试样进行试验。标准试块应随机布置，且最小间距在200mm以上。对板、墙类构件的取样应以同规格、同类型的构件为一检验批，并按实际粘贴的碳纤维表面积（不论层数），每200mm2（不足200mm按200mm2计）取一组式样，每组试样为3个金属标准块。 c、由检验人员随机确定粘贴位置。 d、金属标准块有方形和圆形两种，可根据实际情况选用。方形标准块尺寸为4040mm，圆形标准
14、块的直径为50mm，标准块的厚度不小于20mm，采用铝合金或钢材制作。 2、式样制备 a、表面处理：加固表面应清除污渍并保持干燥; b、切割预切缝：从加固表面向混凝土基材内部切割预切缝，切入混凝土深度1015mm，缝的宽度12mm，预切缝形状两边长40mm的正方形或直径为50mm的圆形，选用的金属标准块的形状而定。 c、粘贴钢标准块：选用粘结剂，其正拉粘结强度应大于粘贴碳纤维的树脂的正拉粘结强度。金属标准块粘贴后应及时用胶带固定，在粘贴剂完全固化前不得扰动。 3、试验步骤 a、试验员按规定安装仪器并连接钢标准块。 b、均匀加载，记录破坏时的荷载值并观察破坏形态。 c、试验结果。 正拉粘结强度按
15、下式计算：f=p/As 式中f正拉粘结强度MPa p试样破坏时的荷载值N As金属标准块的截面面积mm2 d、四种破坏形式： 1）混凝土破坏，混凝土自身破坏以Af表示; 2）层间破坏：粘结剂与混凝土复合涂层破坏以Bf表示; 3）碳纤维材破坏：破坏发生在碳纤维片材内部以Cf表示; 4）粘结失效：破坏发生在碳纤维片材与金属标准块之间以Df表示。 4、对试验结果正常性的判断： 根据以上试验要求及试验结果可以对粘贴质量进行判断，破坏形式为Af属正常破坏，粘贴结果认定为合格;破坏形式出现两种或两种以上，但Af的破坏面积与试样横截面面积之比的百分数达85%以上的仍属正常破坏，粘贴质量仍认定为合格;如果破坏
16、形式为Bf、Cf、Df或它们所占的破坏面积大于15%时应判定为不正常破坏，粘贴质量被认定为不合格。 参考文献： 1、赵丹，谢剑，碳纤维布补强加固混凝土结构新技术M. 天津：天津大学出版社，2001 2、李荣，佟晓利，颜子涵，CFRP加固混凝土结构技术应用实践J. 高科技纤维与应用，1998.12 3、中国工程建设标准化协会标准，碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程（CECS146：2003） 4、吴智深，FRP复合材料在基础工程设施的使用和加固方面的现状与发展，中国首届碳纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会 200（6） 5、汤东婴，张永胜，用碳纤维布CFRP加固大跨度混凝土梁J. 建筑结构，2001，31（7） 6、吴刚，吕志涛 ，外贴碳纤维布加固混凝土的抗剪设计方法J. 工业建筑 ，2000，30（10）