刍议碳纤维在建筑结构加固工程中的应用

周宏

（金华职业技术学院，浙江 金华321000）

1 引言

在旧城改造等工作得以大范围开展的背景下，建筑结构加固工程得到了广泛施工。面对各种类型的建筑，加固改造难度较大，还要引入新型结构加固技术来保证加固效果。而碳纤维由含碳量超90%的无机高分子纤维构成，具有强度高、质量轻等特点，能够用于代替钢筋进行补强加固。因此，有必要加强碳纤维在建筑结构加固工程中的应用研究，从而推动工程加固技术的发展。

2 碳纤维用于结构加固的原理

在建筑结构加固方面，采用碳纤维可以对多种混凝土受力构件进行加固。将碳纤维直接粘贴在构件上，可以发挥约束作用，形成整体受力结构，协同对抗外界作用，促使材料耐压能力得到提高，并且使构件发生破坏的时间得到延缓，达到增强结构抗震性的目标【1】。对抗弯构件进行加固，代替传统钢筋材料能够使构件在小应力条件下部发生开裂问题，应力变大时能够使构件体现出高强度特征，得到整体抗弯能力提升。对抗剪构件进行加固，频繁遭遇剪切作用力，碳纤维能够发挥箍筋作用，避免材料在短时间内受到破坏。从碳纤维应用原理上来看，通过选择合理的黏结材料，能够充分发挥碳纤维和混凝土组合受力作用，促使构件加固补强需求得到满足。如图1 所示，相较于普通的混凝土材料，采用碳纤维增强得到的混凝土性能优异。在对材料施加应力的过程中，采用碳纤维材料可以与混凝土共同承受外界载荷，在OA 阶段使应力（σ）-应变（ε）保持线性关系，结构发生弹性形变。发展至AB 阶段，在外界载荷作用下，材料内部碳纤维被拔出，期间大量能量被吸收，增强了材料韧性，因此可以使材料抗裂性能得到增强。在相同的应变条件下，碳纤维混凝土材料可以承受的最大应力明显得到了提升。因此，应用碳纤维能够使材料裂纹密度得到增加，在抵抗外界冲击时可以避免构件崩溃，促使结构韧性得到增强【2】。

图1 普通混凝土与碳纤维混凝土的应力- 应变曲线图

3 碳纤维在建筑结构加固工程中的应用分析

3.1 工程概况

针对某废旧建筑进行处理，采用回弹法对建筑各部分结构强度实施检测，发现建筑可以继续使用，但现有条件无法满足抗震性要求，还须利用碳纤维材料进行结构加固施工。根据检测结果可知，建筑主次梁位置混凝土结构应进行补强加固，促使梁柱下部强度等级得到提高【3】。

3.2 技术方案

按照GB 50367—2006《混凝土结构加固设计规范》规定，选择的碳纤维布主要可以划分为Ⅰ和Ⅱ2 个等级，各项力学性指标应符合规格要求，碳纤维布力学性能指标见表1。在市面上，片材重量通常为2 000N/m2（200g/m2）或3 000N/m2（300g/m2），对应的理论厚度分别为0.111m 和0.167m。结合建筑梁宽尺寸，针对350mm 梁，由于无350mm 规格的碳纤维布，还要选择200mm×150mm 碳纤维片材，做到不留空拼接，具体粘贴3 层Ⅰ级建筑碳纤维布。对U 型箍进行粘贴，需要选用200mm 宽碳纤维布，使碳纤维布边到边保持100mm 净间距。在梁顶部位，需要增设150mm 碳纤维压条。

表1 碳纤维布力学性能指标

结合结构加固补强需求，在确定碳纤维布规格后，还要对其净面积进行计算：

式中，Ag为碳纤维布净面积；t为碳纤维布计算厚度；B为碳纤维布的宽度，n为碳纤维布的粘贴层数。

根据相关参数，也可以直接对加固混凝土的碳纤维布用量进行计算：

式中，Acf为材料用量，Rcf为碳纤维布抗拉设计强度，Rf为用于抵抗不足弯矩的钢筋面积。

3.3 加固施工

3.3.1 施工准备

实际在应用碳纤维进行结构加固构成中，需要对各构件受力情况展开分析，确定结构加固施工不会对其他构件产生影响，然后对无关构件进行拆卸。在完成荷载卸除后，可以进行基底处理，保证结构加固质量。发现混凝土出现腐蚀问题，需要将表层混凝土去掉，确认钢筋是否发生锈蚀问题。如果发生锈蚀，需要将锈层铲除。针对混凝土表面，需要通过预处理将空鼓、蜂窝等缺陷清除。如果需要清除的面积较大，应利用环氧砂浆修复。如果结构避免出现裂缝，还要实施全面封闭处理，利用角磨机或砂纸对表面进行打磨，将油渍和杂物清除，保证表面平整、洁净。针对转角位置，需要打磨成圆弧状，利用鼓风机进行表面清理，使表面保持干燥。

3.3.2 底胶涂抹

在完成基底处理后，可以按照3∶1 比例对主剂和固化剂进行混合，完成底胶配置。在实践施工中，需要利用电子秤进行精确计量，保证底胶配置效果。利用电动搅拌机将底胶搅拌均匀后，可以采用滚筒刷在混凝土表面均匀涂抹底胶，固化后，进行下一步工序施工。底胶的使用容易受到温度影响，还应在完成底胶配置后的45min 内完成底胶涂抹，以免因底胶凝固氧化而无法施工。此外，环境湿度也将给施工质量带来影响，还应确保现场相对湿度不超70%。在底胶涂抹阶段，需要同时开展找平作业，发现凹陷位置及时利用修补剂进行处理，如模板接头高差超限位置还应体现修平，以免影响后续施工。

3.3.3 粘贴防护

在碳纤维布粘贴阶段，需要结合技术方案完成碳纤维材料裁剪。实际在粘贴时，需要提前完成黏结剂的配制，然后在混凝土表面涂抹，厚度应超出底胶层厚，至少为2mm，避免出现漏涂问题。利用刮板进行刮涂操作，能够保证胶均匀分布。

针对碳纤维边缘，应适当增加涂抹量，如搭接位置和拐角位置。针对混凝土方柱，需要采用缠绕方式粘贴，从上方开始向下缠绕，保证材料均匀粘贴，使柱的荷载能力得到提高。在正截面构件上粘贴碳纤维布，应保证粘接材料得到正确组合。按照施工规范，材料沿着纤维方向的粘贴长度至少应达到200mm，搭接长至少达到100mm。粘贴后，需要利用滚压工具进行表面处理，使材料内部的气泡得到去除，并保证碳纤维与黏结剂接触充分。在实际施工中，由于需要完成多层碳纤维材料的粘贴，还要确保每层材料干燥后才能进行下一层材料粘贴。完成碳纤维材料粘贴后，需要按照规定养护，在提升材料耐久性的同时，避免加固后的构件发生损坏。结合这一目标，需要在外部涂抹水泥砂浆，选用防火防护涂料。

3.4 注意事项

在结构加固工程中应用碳纤维材料，为保证结构加固效果，需要在各道工序完成后进行质量验收，对各道工序参数进行准确、详细记录，以便发现问题后能够参照相关数据进行有效处理。在整个过程中，重点需要加强碳纤维材料质量和粘贴质量管控。在粘贴前，应严格按照要求进行材料检测，确保材料力学性能达到要求，保证材料质量合格。在粘贴后，可利用小锤敲击方式确定粘贴质量，发现局部不牢固还要采用针管对黏结剂进行注射。如果检测发现粘贴面积未能达到90%以上，说明施工质量不符合要求，需要重新施工。

4 结语

综上所述，在建筑结构加固工程中，应用碳纤维材料能够使构件抗弯性能、承力性能等各种性能得到提升，保证建筑结构的稳固性。而在实际应用的过程中，还应结合建筑结构加固需求提出合理技术方案，并加强各道工序施工管理，使工程质量得到保证。