碳纤维加固技术在某水运工程业务大楼加固工程的应用

阮继红　阮锦歆

摘要：在公用和民用及水运工程建设中，由于钢筋混凝土结构在长期疲劳使用，加之使用载荷提高、环境化学因素引起的性能劣化等原因影响，一些钢筋混凝土构件需要加固的情况日渐增多，现已成为建筑结构安全评估和安全保障的重要环节。在各种加固方法中，用碳纤维布加固钢筋混凝土构件的方法，现已在我国得到迅速的发展和普及。由于碳纤维布加固具有很好的比强度、比刚度、耐腐蚀、耐久性强、非磁性、重量轻、耐磨损、抗老化、施工方便和施工工期短等优点，所以现广泛应用于各类工程和民用建筑及桥梁、码头和混泥土堤坝中，取得很多实际应用成果。

关键词：碳纤维；结构加固；水运工程；强度；耐腐蚀

中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）05-0068-02

1.引言

碳纤维是一种由有机母体纤维，采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的新型非金属材料。具有高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、比耐热钢还耐高温、比不锈钢还耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是铝的二分之一，钢的五分之一。拉力高达300KG/MM2；目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异宝贵的电学、热学和力学性能。碳纤维材料在建筑物和构筑物加固中得到广泛的应用。

以碳纤维材料为主要原料的碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术。始于20世纪80年代美、日等发达国家，我国起步较晚，但是发展较快，建筑领域从80年代后半期开始把它作为钢筋、预应力混凝土钢材的替代材料加以研究，并作为预应力混凝土桥梁的张拉材料等结构物的加固材料等加以利用，已经产生较大的实用效果和经济效益。

2.碳纤维材料结构加固适用范围

碳纤维材料适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、桥墩、桥梁、堤坝等结构及构筑物。具体说来可以利用碳纤维加固码头、桥敦结构、对既有钢筋混凝土烟囱的加固；构件抗弯加固、梁柱构件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿断裂加固、砌体的抗震加固、承载力不足加固、楼宇增层加固、框架柱轴压比超限加固、楼板开裂加固、剪力墙开洞加固、楼面荷载增大加固、桥梁断裂、旧桥大修加固和水坝加固等等。

3.碳纤维材料结构加固施工过程中的技术特点

碳纤维比重小，施工便捷，加固以后不影响外观和自重。碳纤维比重只有钢铁的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原结构自重及截面尺寸的状况下，发挥强大的补强加固效果。补强功能全面，耐久ll生能好，还有优良的抗紫外线及抗环境老化性能。

4.碳纤维材料与其他加固材料对比

抗拉强度：抗拉强度标准值fcfk≥3000MPa，碳纤维的抗拉强度约为普通二级钢的10倍左右。

弹性模量：弹性模量Ecf≥2.1×105MPa，伸长率≥1.5%。碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

疲劳强度：碳纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%。由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

重量：约为钢材的五分之一，厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件。

5.碳纤维加固技术在某水运工程业务大楼加固工程实际应用

某水运工程业务大楼大楼主体17层，塔楼4层，地下1层。建筑面积15429m2，一、二层层高为4.8米，其它楼层层高均为3.6米，17层屋顶女儿墙高度为66米，塔楼屋顶女儿墙高度为80.8米。建筑结构形式为框架-剪力墙结构，基础采用桩一箱联合基础，梁、柱、剪力墙均为现浇，楼（屋）面为预应力圆孔板，楼梯为预制楼梯。该建筑始建于80年代初，当时的设计规范已经不能满足现行设计规范需要，所以本次改造时设计院对原结构进行了加固处理。其方法有结构梁柱包钢、粘钢和粘贴碳纤维以及局部立柱增大截面积等加固措施。

5.1碳纤维布粘贴楼板

该建筑物楼板是预应力空心板，由于该楼曾经反复装修，楼板出现钻孔较多，为了提高楼板承载力，对部分楼板底面进行粘贴碳纤维布加固处理。

5.1.1卸载

进行加固前，卸去楼板上的全部荷载。

5.1.2基层处理

（1）将所需要加固的楼板底面面层除去并打磨到露出粗骨料出现为止，然后除去净粉尘，并使其干燥。

（2）对底板凹坑部位需要使用环氧树脂砂浆进行补平，使凹坑面形成平顺段，以利于粘贴。

5.1.3涂刷底胶

按底胶比例将主剂和固化剂先后放入干净容器内，搅拌均匀，时间以10～15min为宜。

5.1.4粘贴碳纤维布

（1）采用300g/m3碳纤维布，下料按施工设计约定的宽度确定，搭接其顺向搭接长度应补少于15cm。并应采取横向碳纤维粘贴固定，其固定宽度不少于10cm。

（2）用丙酮涂刷做界面剂，施工面用滚筒涂刷胶体。

（3）将碳纤维片材贴在胶体上，用滚筒来回碾压以充分粘贴和除去气泡。

（4）在第一层粘贴层已经固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面剂粘贴第二层。

5.1.5表面防护

在最后一层碳纤维表面均匀涂刷一层防护面胶并粘砂保护。

5.2碳纤维布加固框架柱

该建筑物立柱轴压比的不同等技术参数分别采用不同加固方法，除了包钢外，对于部分轴压比过大，抗剪承载力较小的柱子，采用粘贴碳纤维来提高柱子的延性。加固形式是环向箍带粘贴碳纤维来补强柱子的抗延展性，具体步骤如下：

5.2.1基层处理

（1）将框架柱表面装饰层除去并打磨到露出粗骨料出现为止，然后除去净粉尘，并使其干燥。

（2）将柱角磨成2.5cm以上圆角，避免因补强后造成应力集中降低补强效果；并对凹坑部位需要使用环氧树脂砂浆进行补平，使凹坑面形成平顺段，以利于粘贴。

5.2.2涂刷底胶

按底胶比例将主剂和固化剂先后放入干净容器内，搅拌均匀，时间以10～15min为宜。

5.2.3粘贴碳纤维片材

（1）涂刷丙酮界面剂，再外贴300g/m2碳纤维片材，宽度和间距按设计规定，围着立柱横向粘贴。

（2）施工面用滚筒涂刷胶体。

（3）将碳纤维片材贴在胶体上，用滚筒来回碾压以充分粘贴和除去气泡。

（4）在第一层粘贴层已经固化干燥后再涂刷丙酮涂刷做界面剂粘贴第二层。

5.2.4表面防护

在最后一层碳纤维表面均匀涂刷一层防护面胶并粘砂保护。

6.结论

碳纤维在土木建筑领域的应用还是一个全新的技术。过去因碳纤维的价格高、产量少，因此有所局限，但近年来随产量的增加而使成本下降，碳纤维的应用也越来越多。与传统方式相比，在土木建筑领域中应用碳纤维，虽然纤维强化材料的价格较高，但综合考虑材料成本、施工成本、使用成本，就比较相近了；从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个碳纤维材料广泛应用的时代。

碳纤维加固技术是一种新型的加固技术，相比其他传统的加固技术具有作业方便、加固质量高等特点。该业务大楼成功的加固经验再次证明了该技术的实用性和便捷，同时也给水运行业的服务和发展间接带来巨大的社会经济效益。