纤维复合材料在建筑工程结构加固中的应用

贺莹

（安徽多维施工图审查有限责任公司，安徽合肥 230001）

0 引言

1 纤维复合材料加固建筑结构的技术要点

1.1 构件表面处理的要点

构件表面处理是纤维复合材料加固建筑结构技术的前期环节，主要需注意以下两点：①在构件表面处理过程中应把握好温度和湿度因素，尽量将温度控制在6～35℃范围内，构件外表层的相对湿度约为85%，且其中含水量须≤4%。②在实际加固施工过程中，加固区域出现裂缝问题，则应立即暂停施工，先对裂缝进行有效修补后再继续加固[2]。

1.2 底胶涂刷的要点

在建筑结构的待加固构件上粘贴完纤维复合材料后，需再涂刷底胶。在底胶涂刷过程中主要需注意以下两点：①涂刷底胶需使用专门的涂刷工具如滚筒等，以保证涂刷均匀。②涂刷底胶时需对待加固构件表面进行细致的涂刷，涂刷边界不能小于纤维复合材料的边界。

1.3 找平胶涂刷的要点

待底胶干燥后，应仔细检查其表面情况，一旦发现了有凹凸、缺损等问题而又无法通过砂纸来有效磨平时，应及时采用找平胶进行处理。在找平胶材料的选择中，需注意选择与底胶相同的材料进行调制[3]。

1.4 加固技术的要点

内嵌FRP筋加固法具有施工方便、维修费用低、可以有效避免加固材料磨损和撞击等优点，现已广泛应用于结构加固改造工程中。加固构件和结构在服役期间同样会遭受潮湿、冻融循环、腐蚀介质侵蚀等恶劣环境，出现FRP筋劣化、FRP筋与混凝土界面黏结强度下降等问题。由于FRP筋与黏结材料界面和黏结材料与混凝土界面既是传递应力的关键部位，又是加固构件的薄弱环节，因此开展恶劣环境下内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结性能的研究尤为重要[4]。目前，国内外对内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结破坏模式、黏结应力-滑移本构关系、FRP筋的受拉承载力以及不同影响因素对界面黏结性能的影响进行了大量的研究，取得了丰富的研究成果。

1.5 养护过程中的要点

在应用纤维复合材料加固建筑结构技术对建筑结构加固完毕后，还需做好后期的养护工作，在养护过程中需注意以下3点。

（1）养护期间避免受外界干扰和外力冲击。

（2）养护时间应≥1d。

为了尽量避免频谱分配过程中使用过强的假设条件，本文基于物理干扰模型，将传输功率离散化为若干等级，从弹性用户收益角度设计目标函数，提出一种仅需与同信道相邻用户进行信息交互的博弈模型，并从理论上证明其为严格潜在博弈，分析了纳什均衡解的存在及有效性.同时，为了进一步降低了问题求解的复杂度，引入随机学习理论，提出基于随机学习博弈的信道分配与功率控制算法，给出了该博弈收敛到纯策略纳什均衡的形式化证明.最后通过一系列仿真实验验证了所提算法的有效性.

（3）养护期间做好防护措施，避免受雨水及其他物质污染。

2 土木建筑工程中纤维复合材料的应用

2.1 施工前的准备

对施工作业人员进行技术和安全交底，使其掌握胶黏剂调配和纤维布粘贴工艺的操作要点，特殊作业人员需要持证上岗。同时，准备马凳、钢丝刷、脚手架、空压机等后续可能需要加固补强的机具。在加固施工前，保证粘贴碳纤维布的构件上面没有堆载现象，避免其处于受载状态，影响后续加固效果[5]。另外，施工前应按设计要求对需要加固构件的碳纤维布位置进行放线定位，保证施工精度。

2.2 基层处理及清洗

（1）采用角磨机打磨处理构件混凝土表面的抹灰层，直至露出混凝土密实结构。检查构件是否有露筋现象，露筋时采用必要措施进行除锈。对构件存在凸出及缺损部分进行剔凿或填补，保证基层平整。构件表面棱角打磨成内径不小于20mm的棱角。

（2）对构件表面的裂缝进行处理。裂缝宽度大于等于0.2mm时，采用环氧树脂胶以一定的压力进行灌缝处理；裂缝宽度小于0.2mm时，采用结构修补胶进行表面封闭处理。

（3）用吹风机或棉丝等除去混凝土上的粉末和灰尘。清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

2.3 涂刷底胶

底胶的涂刷有利于提高构件混凝土基层的强度，并更好地与碳纤维材料结合为整体。涂刷底胶前保证施工环境处于适宜的温湿度范围且基层干燥、无积水。底胶按产品说明书要求进行配制，一次性不得配制过多，以一次施工完成为准，多余的底胶不得在超过规定时间后继续使用。

采用滚筒或刷子将底胶均匀涂刷于混凝土表面上，阴阳角或拐弯处适当涂厚点。底胶自然风干后，应将凸出于基层表面的部分用砂纸磨平，磨平后露出混凝土实体时应再次用底胶涂刷，直至基层平整且底胶均匀涂抹。

2.4 粘贴面找平

涂刷底胶后，为防止后续施工时基层粘贴面和纤维布之间起鼓膨胀，应采取措施对阶差、针孔、凹凸处等进行处理，保证粘贴面平整。对于凹陷部分，应采用高强度修补料进行修补，确保基层平整，保证粘贴效果。修补料加固后强度达一定程度时方能进行下一道工序。

2.5 面胶涂刷

在碳纤维布粘贴完成后，应在其表面上再涂刷一层面胶。涂刷面胶时应沿着碳纤维的方向均匀涂刷，保证面胶充分浸湿纤维布。纤维布施工时一般以一层一天为进度，每天工作结束后均应保证及时地进行面胶涂刷，不得拖延至第二天。面胶涂刷后待其自然风干，风干后检查其表面有无纤维布剥落、浮起、褶皱等不良现象，有则及时进行刮平、挤泡等修正处理。

2.6 固化养护

碳纤维布粘贴施工时不得同时进行会产生灰尘的相关作业，且需要待其自然养护至具备初步强度，在这之前（一般为24～48h），不得使粘贴纤维布的构件受力或其他扰动。养护期间应保持一定的温度，一般为20～30℃。温度较低时应适当延长养护时间。碳纤维布养护完成后，可采用邵氏硬度计检测其胶层厚度，并采用粘结强度检测仪检测其粘结强度，保证其达到相应的加固效果。在纤维布面胶干燥后，需按照设计要求对碳纤维表面采取防护措施[6]。在构件有防火要求时，可进一步采取防火涂料或水泥等进行涂装处理。防护涂装前，应确保碳纤维粘贴质量通过验收。

2.7 纤维复合材料加固技术方案设计

由于建筑结构的设计过程较为复杂，设计人员在进行设计时，要将化学纤维聚合物材料应用于土木工程结构加固时，首先是规划土木工程项目的总体加固策略，然后再确定具体的加固技术方案。碳纤维材料塑料板在钢筋混凝土弯曲预制构件的抗弯结构加固，抗剪结构加固和柱抗震等级结构加固应用较多。在加强弯曲结构时，碳纤维塑料片的化学纤维取向应与拉伸区的拉伸应力取向一致。当增强剪切结构时，应将碳纤维塑料板的化学纤维取向作为混凝土中的主要张力。应力方向是相同的，但是为了使施工更加方便，可以使用化纤方向和预制构件的纵向坐标进行结构加固。加强抗震等级结构时，应将碳纤维布封闭地缠绕在圆柱上。另外，碳纤维材料塑料片还可以沿着预制构件的径向方向粘贴，可沿着腋下角度粘贴，可在枢转力下对预制构件进行结构加固。当在弯曲下加固结构时，也可以向碳纤维塑料板中添加预应力钢的方法来增强结构加固的实际效果。碳纤维塑料板还可以用于框架柱和特殊结构，例如壳体，筒仓和烟囱。

2.8 应重视纤维复合材料的研发及技术标准制定

碳纤维材料高分子材料目前在国内建筑行业应用尚不十分广泛，目前主要应用于一些专业性较高的建筑结构中。主要原因在于许多碳纤维材料产品仍然必须从国外购买，这不仅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技术的应用。同时，我国现阶段依然使用的是国外的技术标准和规范，现有的结构加固和修复技术方法已越来越不适用。迫切需要制定适合于我国国情的技术标准和建筑加固施工作业规程，以改善碳纤维材料和高分子材料的建筑应用技术[7]。因此，加强对纤维复合材料的研发力度，提升产品质量，并制定适合的材料生产技术标准和建筑加固施工作业规程，是现阶段的重点问题。

2.9 结构加固补强的关键技术的研发

FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已经取得了很好的进展，在基础设施建设工程加固技术应用也较为广泛，但是仍然有很多课题有待解决，主要包括两个方面：一是在预应力加固补增技术研究；另一个是界面受力性能研究。为了使用该类复合材料在建筑结构加固领域发挥更大价值，还需要进一步深入研发。

3 质量控制及检验

3.1 质量控制

（1）原材料检验。施工前对原材料进行质量把控，在监理和试验员共同见证下，随机抽取碳纤维布（一般为5m）和配套的粘结胶样品（一般为1kg）并送至第三方检验机构进行检测，检测项目主要包括抗拉强度、弹性模量和伸长率等，确认其符合设计要求后方可入场使用，从源头确保工程的施工质量。

（2）施工过程控制。编制碳纤维布的专项施工方案，并通过监理单位审批，施工前务必落实技术交底，保证工人的操作水平。在大面积施工之前，应采取“样板先行”制度，通过样板工程进行工艺参数和方法的验证和优化，从而保证后期大面施工时的一次成活率，避免返工带来的工期延误和成本增加。

（3）碳纤维布的空鼓处理。在碳纤维施工过程中，空鼓是较为常见的一种不良现象。此时应及时进行技术处理，避免粘贴质量不达标影响加固效果。对于空鼓问题，当其面积不大（小于10000mm2）时，可采用注胶法进行补充注射；而当空鼓面积较大时（大于等于10000mm2）时，则需要将此处空鼓位置剪切割除，再重新粘贴碳纤维布。在重新粘贴时，其沿纤维方向（顺纹）的每端搭接量不得少于200mm，如果补充粘贴层数超过三层，则相应的搭接量应不少于300mm。

3.2 质量检验

碳纤维布施工完成后，应按一定的标准对其施工质量进行检验，具体检验标准如下。

（1）粘结胶与碳纤维充分浸润，胶水深入碳纤维布的每一个细小结构之中，将纤维丝粘合在一起，达到共同承载外力的目的。

（2）碳纤维布与构件的混凝土基层粘结牢固，粘结强度达到预期要求。

（3）碳纤维布外观上没有偏移、起鼓、褶皱、松脱等不良现象，搭接处的长度符合设计要求。

（4）加固位置处的碳纤维布施工方向、位置、层数及尺寸等与设计方案要求的一致。

4 结语

综上所述，由于纤维复合材料的诸多优势，使得它在建筑结构加固领域中展现出了十分重要的应用价值与非常广阔的发展前景。但现阶段还有许多制约其发展的因素存在，需要在未来一段时间，加强对纤维复合材料及其应用的研究。CFRP板与混凝土之间的粘结应力不是通过试验直接得到的，而是通过CFRP板变形分析间接得到的。加载开始时，CFRP板仅在加载点附近区域生成变形，自由点附近的变形为零，此时变形传输区域较小。载荷增加时，载荷端的变形会增加，并传递到自由端。在载荷开始时，粘结应力从载荷端分布在不超过60mm的范围内，从自由端逐渐减小到零。随着负载的增加，负载末端的贴合约束也会相应增加，并且贴合约束开始转移至自由末端。接近极限载荷时，粘结点会传递到自由端附近，试验将发生挖方断裂。使纤维复合材料加固技术的应用更加广泛深入，在建筑结构的稳定性及安全性建设中充分发挥其应用价值。