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與您探討有關(guān)碳纖維復合材料（CFRP）加固在實際工程中的應用

摘  要：碳纖維具有強度高、自重輕、施工方便、快捷、應用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以承載力及壽命是目前比較流行的，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。本文以一個石化行業(yè)的鋼筋混凝土框架改造工程應用為例介紹了碳纖維復合材料在因功能改變引起荷載變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固中的計算和施工工藝。

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1碳纖維復合材料（Carbon Fiber Peinforce Plastic）加固是利用類粘接劑（建筑結(jié)構(gòu)膠）將碳纖維粘貼到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表面，形成復合材料體，通過碳纖維與構(gòu)件的協(xié)同工作，來結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力和延性的一種加固。采用碳纖維布加固具有以下幾個優(yōu)點：1、抗拉強度高，是普通鋼材的10倍，并具有比鋼材更好的抗疲勞性能；2、加固后能大大結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；3、自重輕（約200g/m2），密度只有普通鋼材的1/4；基本不結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣，適合任何形狀；4、施工簡便（不需大型施工機構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），沒有濕作業(yè)，易于操作，經(jīng)濟性好；5、適用范圍廣，施工工期短。碳纖維材料(CFRP)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達，起步很晚，近年來發(fā)展十分迅速，在、、汽車、工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域了廣泛的應用。也于2003年編制了碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程(CECS146：2003)。本文結(jié)合具體的石化行業(yè)一鋼筋混凝土構(gòu)架加固工程，介紹了碳纖維加固實例。 

3.1基本假定

碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計算采用如下基本假定：

受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；

梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；

（3）碳纖維材料采用線彈性應力-應變關(guān)系：σcf=Ecf×εcf且εcf<0.01。

3.2加固設計
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根據(jù)碳纖維片材加固修復混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程（CECS 146:2003）的規(guī)定，采用以概率理論為基礎的極限設計法進行計算。考慮到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。

碳纖維片材加固施工工藝

一般工藝流程為卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護。

考慮本工程特殊施工因素，加固中應進行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物。

本工程加固施工中，應先鑿開保護層直至結(jié)構(gòu)層基面，方可進行下一步處理。

基本施工步驟：

⑴基底處理：

①混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應予以鑿除，對于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應用環(huán)氧砂漿進行修復。

②混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。

③風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

⑵涂底膠

①按配合比主劑∶固化劑＝3:1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計量，電動攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間，一般情況下20—50mim內(nèi)用完。

②將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以指觸干燥為準）再進行下一工序施工。一般固化時間為6—24h。

⑶找平

①混凝土表面凹陷部位應用修補劑填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應用修補劑*，盡量減小高度差。

②轉(zhuǎn)角處也應用修補劑修補成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補劑表面指觸干燥后方可進行下一步工序。

碳纖維質(zhì)輕高強、耐腐蝕、抗老化，有著優(yōu)異的力學性能。用其加固補強混凝土結(jié)構(gòu)施工簡單便捷，在橋梁維修加固中得到廣泛的應用。

一、碳纖維材料特性

碳纖維增強塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復合而制成的，其力學特點是應力應變量*線彈性，不存在屈服點或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時，將大量的碳纖維長絲沿一個主方向均勻平鋪，用極少的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強度標準值應大于3000Mpa，彈性模量大于2.1×l05MPa.綜合材料的物理、力學特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢，適宜將C（RP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預應力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實踐也證明了這一點。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應力，約束裂縫的開展。

二、在橋梁加固工程的應用

土外表的裂縫伸展到一定程度，主筋外的混凝土保護層則開端脫落，終使T梁布局損失承載功能。

為了保證大橋使用壽命不受到影響，有必要對現(xiàn)已銹蝕的顯露鋼筋進行除銹并防腐處治；同時，對厚度不夠的混凝土維護層選用化學防腐的辦法進行防護，以保證構(gòu)件的正常承載。

2、治理方案選擇

（1）治理方案選擇。因為該大橋T型預應力鋼筋混凝土接連梁梁底部主鋼筋布滿區(qū)域混凝土保護層厚度偏薄，加之大橋地處濱海，構(gòu)件長時刻顯露運用于具有較強腐蝕性的海洋性大氣中，為了保證大橋主梁的使用壽命，對主梁底部主鋼筋布滿區(qū)域選用碳纖維補強。

（2）方案的可行性。碳纖維補強技術(shù)具有以下優(yōu)點：

優(yōu)異的力學性能，可有效用于多種形式的結(jié)構(gòu)補強，包括抗彎、抗剪、抗拉、抗疲勞、抗震、抗風，控制裂縫及撓度的擴展。

優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。碳纖維布具有*的抗酸、堿、鹽、紫外線和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化能力。外加防火層后可以有效地防火。因此，可大大增強結(jié)構(gòu)對惡劣外部環(huán)境的適應能力，延長結(jié)構(gòu)壽命。

材料本身質(zhì)輕高強。可以不增加結(jié)構(gòu)體積和不改變結(jié)構(gòu)外型。增加的結(jié)構(gòu)重量可以忽略，便于用所需要的色彩涂裝，而不留補強痕跡。

施工工序簡單，可用小型電動工具操作。工種少，用工少，工期短，進度快。更有資料表明能在持續(xù)交通有震動的情況下施工，而不影響補強效果，從而大大縮短了施工斷交時間，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

總之，本橋選用碳纖維來進行結(jié)構(gòu)防腐與加固，是一種行之有用的新工藝、新工藝、新辦法。

3、碳纖維片補強施工流程

本工程碳纖維片補強施工流程為：構(gòu)件表面處理→基底處理→涂底層涂料→刮膩子整平→涂下一層浸漬樹脂→粘貼纖維片→涂下一層浸漬樹脂→養(yǎng)護→防護涂裝。

4、施工技術(shù)要點

（1）基底處理：

清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。

按設計要求對破損面鋼筋處理后用M45的環(huán)氧樹脂砂漿進行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護層厚度不小于15mm.利用打磨機將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應小于20mm.。

（2）涂底膠：底膠的主劑和固化劑按規(guī)定的比例準確稱量，均勻慢速攪拌，并在可使用的時間內(nèi)用完；涂底膠前必須將基面清理干凈，并保持干燥；涂刷必須均勻，底膠指處干燥后再進行下一道工序。

（3）粘貼面修整：整平材料必須按規(guī)定比例進行調(diào)配。修整時應進行多次找補。確保坑凹處填實填滿，不得有氣泡，表面有毛刺或糙紋時，用砂紙打磨一順；指處干燥后進行下一道工序。

（4）粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復上述步驟，待纖維表面接觸干燥時即可進行下一層的粘貼。如超過60min，則應等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。