碳纤维加固混凝土结构的探讨

李伟

郑州大学综合设计研究院有限公司厦门分公司（361000）

碳纤维加固混凝土结构的探讨

李伟

郑州大学综合设计研究院有限公司厦门分公司（361000）

碳纤维材料是一种力学性能优异的新材料，日本、美国等发达国家最先将碳纤维用在混凝土结构加固中。近年来，各个国家都在大力研究碳纤维技术。文章探讨了碳纤维材料在加固混凝土结构中的特点、工艺流程、施工方法及质量控制要点。

碳纤维；混凝土结构；施工工艺；加固

0 引言

碳纤维是一种含碳量在95%以上，高强度、高模量的新型纤维材料，具有耐腐蚀、耐高温、导电导热性能好等特点，抗拉强度是常用建筑材料钢筋的十几倍。将其应用在混凝土结构加固技术中，碳纤维通过环氧树脂粘结在混凝土结构表面，使碳纤维材料与原来混凝土结构融为一体，利用碳纤维强抗拉性能增强了混凝土结构的承载力。

1 碳纤维的特点

碳纤维材料，具有以下几个方面的特点：第一，碳纤维材料材质轻，抗拉强度大。用碳纤维材料制作的合成材料比重是普通钢铁材料的五分之一，是一种质地比较轻的材料。碳纤维的抗拉强度是普通钢材的8～10倍，将其与混凝土结构混黏结在一起，能够提高混凝土结构的强度。第二，抗腐蚀性好。碳纤维遇到一般的有机溶剂、酸、碱物质不溶不胀，不会生锈，耐腐蚀性能好，将其应用在混凝土加固结构中，能够防止酸、碱、盐、水以及有机物质对钢筋混凝土结构的腐蚀，起到保护混凝土结构的作用，减少混凝土结构的维修费用。第三，耐老化性。碳纤维具有耐油、耐高温、抗辐射、吸收有害有毒气体等作用，长期在-54～80℃的温度环境下强度不会发生变化。第四，外形美观，保持原状。碳纤维材料黏附在材料表面，不会改变构件的结构尺寸，粘贴后厚度为1 mm，每m2的重量不足1 kg，对混凝土结构的尺寸和自重不会产生影响。第五，施工简单方便，效率高。碳纤维材料比较轻，在一个比较狭小的空间也能操作，施工占用的面积比较小，不会影响房间的正常使用。材料切割方便，不需要大型的设备进行切割，也不需要螺栓、螺钉固定，所以简化了施工流程。第六，碳纤维材料不仅具备普通碳材料的特性，还可以加工成各种织物。

2 碳纤维的适用范围

碳纤维是国民经济和国防军工中重要的战略物资，随着碳纤维技术的发展和进步，碳纤维材料应用在航天航空、机械、化工、电子、体育、建筑等各个领域。碳纤维加固应用在建筑工程中，适用桥梁隧道、民用建筑的混凝土梁、柱、剪力墙结构、衬砌、罐体等各种建筑结构形状、建筑类型和各种结构部位。

3 碳纤维加固工艺流程及施工方法

3.1 工艺流程

碳纤维加固工艺流程大致为：混凝土表面处理→土涂底层树脂→找平→涂导线浸渍树脂→粘贴碳纤维布→养护→涂装→加固工程验收。

3.2 施工方法

3.2.1 混凝土表面处理

碳纤维加固施工前，必须对混凝土表面进行处理卸去部分荷载，让碳纤维粘贴结构承受荷载减少到最小。混凝土表面处理遵守以下几点：

1）混凝土裂缝。如果混凝土裂缝宽度小于0.2 mm，则用环氧树脂对表面进行涂抹封闭；如果混凝土裂缝大于0.2 mm，则用环氧树脂灌注裂缝。

2）清理混凝土表面破损和残缺的部位，让混凝土表面保持平整。

3）检查混凝土结构外部钢筋是否有腐蚀的现象，如果有腐蚀立即进行处理。

4）对清除、剔凿、漏筋构件的破损部位，用环氧砂浆进行修补，让构件表面保持平整。

5）混凝土结构表面凸出的部分要剔除，打磨平整。对棱角的部位，用磨光机磨成圆角，圆角半径必须大于30 mm。

6）混凝土表面修复平整以后，用吹风机吹干净表面的灰尘，并用水和酒精清洁表面，让表面保持干燥。

3.2.2 涂底层树脂

首先将涂料按比例配置好，然后用滚筒刷均匀的将底层涂料涂刷在混凝土表面，等树脂涂料干燥以后才能进行下一步施工。底层树脂涂抹干燥以后，部分表面会出现凸起的现象，用砂布磨平。

3.2.3 找平

用整平胶料找平，混凝土表面凹陷部位用胶料修补平整，在模板接头等高差大的地方用整平胶料填补。其次对混凝土材料的转角处进行处理，转角处用整平胶料修补，将其修补成为一个光滑的圆弧，其半径不小于10 mm，整平胶料固化干燥以后才能进行下一步的施工。整平胶料的固化时间根据施工环境温度确定，一般大于3 h。

3.2.4 涂导线浸渍树脂

浸渍树脂是整个加固混凝土的关键环节，是连接底胶和碳纤维布的关键材料。通过浸渍树脂，将碳纤维布粘贴在混凝土表面，经过碾压以后，让浸渍树脂浸透到碳纤维中，让其形成一个整体，共同抵御外力。浸渍树脂必须具有良好的渗透性和粘合力，确保碳纤维材料与混凝土结构结合成受力整体，从而达到加固的目的。表1为树脂的主要性能指标：

表1 树脂的主要性能指标

3.2.5 粘贴碳纤维布

按照结构设计的尺寸裁剪碳纤维布，一般碳纤维布的长度在3 m以内，特殊情况除外。然后按照配置的比例将树脂的主剂和固化剂配比称重，装入容器后均匀的搅拌，碳纤维片长方向的片材的接头搭接长度必须在10 cm以上，搭接部位要多涂抹树脂，材料的宽度方向不需要搭接。贴片前，必须用滚筒均匀性涂刷需要粘贴的环氧树脂，贴片时要确保材料之间的密实度，纤维片和树脂之间不能残留空气。在贴片的时候可以用专用的工具罗拉沿着纤维的方向在材料片上多次滚压，让树脂渗透到纤维内，去除气泡，多层粘贴时要重复以上步骤，粘贴以后必须等碳纤维材料干燥以后才能进行下一层的碳纤维布粘贴工作。最外层的碳纤维层表面要均匀涂抹一层粘贴胶料，防止加固层被损坏。

4 质量控制要点

所有碳纤维材料进入施工现场的时候，施工人员要对材料以及配套树脂粘接材料进行检查，检查材料是否有合格证、出厂证明，并对材料进行抽样检测。只有经过检验以后，确定材料符合施工要求，才能施工。粘贴碳纤维片的时候，碳纤维片要大于原来混凝土结构的面积，但是粘贴的位置与设计位置的偏差不能太大，控制在10 mm以内。施工以后要对碳纤维片材与混凝土结构粘贴的质量进行检查，轻轻按压或者用小锤子敲打粘接好的材料表面，粘接材料的有效面积不能少于95%,如果粘接材料的空鼓面积大于10 000 mm，则要将空鼓面积全部切除，然后重新粘接材料。如果小于10 000 mm,则可以直接在空鼓内注射树脂。碳纤维具有导电性,所以要远离电源和电气设备，与其配套的树脂要密封处理，避免阳光直射，并远离火源。

5 小结

碳纤维材料具有高弹性模量、高抗拉强度以及耐腐蚀性等优点,将其运用在混凝土加固结构中，施工方便，能够适应各种各种结构的修补，并封闭混凝土裂缝,在不增加混凝土结构自重的情况下，提高混凝土的抗震、抗剪切力。

[1]唐建军,朱小林.探讨结构碳纤维加固施工技术措施[J].城市建设理论研究（电子版）,2015(8)：745-746.