芻議碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

周宏

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華321000）

1 引言

在舊城改造等工作得以大范圍開展的背景下，建筑結(jié)構(gòu)加固工程得到了廣泛施工。面對各種類型的建筑，加固改造難度較大，還要引入新型結(jié)構(gòu)加固技術(shù)來保證加固效果。而碳纖維由含碳量超90%的無機(jī)高分子纖維構(gòu)成，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，能夠用于代替鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。因此，有必要加強(qiáng)碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用研究，從而推動工程加固技術(shù)的發(fā)展。

2 碳纖維用于結(jié)構(gòu)加固的原理

在建筑結(jié)構(gòu)加固方面，采用碳纖維可以對多種混凝土受力構(gòu)件進(jìn)行加固。將碳纖維直接粘貼在構(gòu)件上，可以發(fā)揮約束作用，形成整體受力結(jié)構(gòu)，協(xié)同對抗外界作用，促使材料耐壓能力得到提高，并且使構(gòu)件發(fā)生破壞的時間得到延緩，達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性的目標(biāo)【1】。對抗彎構(gòu)件進(jìn)行加固，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋材料能夠使構(gòu)件在小應(yīng)力條件下部發(fā)生開裂問題，應(yīng)力變大時能夠使構(gòu)件體現(xiàn)出高強(qiáng)度特征，得到整體抗彎能力提升。對抗剪構(gòu)件進(jìn)行加固，頻繁遭遇剪切作用力，碳纖維能夠發(fā)揮箍筋作用，避免材料在短時間內(nèi)受到破壞。從碳纖維應(yīng)用原理上來看，通過選擇合理的黏結(jié)材料，能夠充分發(fā)揮碳纖維和混凝土組合受力作用，促使構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)需求得到滿足。如圖1 所示，相較于普通的混凝土材料，采用碳纖維增強(qiáng)得到的混凝土性能優(yōu)異。在對材料施加應(yīng)力的過程中，采用碳纖維材料可以與混凝土共同承受外界載荷，在OA 階段使應(yīng)力（σ）-應(yīng)變（ε）保持線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性形變。發(fā)展至AB 階段，在外界載荷作用下，材料內(nèi)部碳纖維被拔出，期間大量能量被吸收，增強(qiáng)了材料韌性，因此可以使材料抗裂性能得到增強(qiáng)。在相同的應(yīng)變條件下，碳纖維混凝土材料可以承受的最大應(yīng)力明顯得到了提升。因此，應(yīng)用碳纖維能夠使材料裂紋密度得到增加，在抵抗外界沖擊時可以避免構(gòu)件崩潰，促使結(jié)構(gòu)韌性得到增強(qiáng)【2】。

圖1 普通混凝土與碳纖維混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線圖

3 碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用分析

3.1 工程概況

針對某廢舊建筑進(jìn)行處理，采用回彈法對建筑各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)施檢測，發(fā)現(xiàn)建筑可以繼續(xù)使用，但現(xiàn)有條件無法滿足抗震性要求，還須利用碳纖維材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固施工。根據(jù)檢測結(jié)果可知，建筑主次梁位置混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，促使梁柱下部強(qiáng)度等級得到提高【3】。

3.2 技術(shù)方案

按照GB 50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，選擇的碳纖維布主要可以劃分為Ⅰ和Ⅱ2 個等級，各項力學(xué)性指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)格要求，碳纖維布力學(xué)性能指標(biāo)見表1。在市面上，片材重量通常為2 000N/m2（200g/m2）或3 000N/m2（300g/m2），對應(yīng)的理論厚度分別為0.111m 和0.167m。結(jié)合建筑梁寬尺寸，針對350mm 梁，由于無350mm 規(guī)格的碳纖維布，還要選擇200mm×150mm 碳纖維片材，做到不留空拼接，具體粘貼3 層Ⅰ級建筑碳纖維布。對U 型箍進(jìn)行粘貼，需要選用200mm 寬碳纖維布，使碳纖維布邊到邊保持100mm 凈間距。在梁頂部位，需要增設(shè)150mm 碳纖維壓條。

表1 碳纖維布力學(xué)性能指標(biāo)

結(jié)合結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)需求，在確定碳纖維布規(guī)格后，還要對其凈面積進(jìn)行計算：

式中，Ag為碳纖維布凈面積；t為碳纖維布計算厚度；B為碳纖維布的寬度，n為碳纖維布的粘貼層數(shù)。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，也可以直接對加固混凝土的碳纖維布用量進(jìn)行計算：

式中，Acf為材料用量，Rcf為碳纖維布抗拉設(shè)計強(qiáng)度，Rf為用于抵抗不足彎矩的鋼筋面積。

3.3 加固施工

3.3.1 施工準(zhǔn)備

實(shí)際在應(yīng)用碳纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固構(gòu)成中，需要對各構(gòu)件受力情況展開分析，確定結(jié)構(gòu)加固施工不會對其他構(gòu)件產(chǎn)生影響，然后對無關(guān)構(gòu)件進(jìn)行拆卸。在完成荷載卸除后，可以進(jìn)行基底處理，保證結(jié)構(gòu)加固質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)腐蝕問題，需要將表層混凝土去掉，確認(rèn)鋼筋是否發(fā)生銹蝕問題。如果發(fā)生銹蝕，需要將銹層鏟除。針對混凝土表面，需要通過預(yù)處理將空鼓、蜂窩等缺陷清除。如果需要清除的面積較大，應(yīng)利用環(huán)氧砂漿修復(fù)。如果結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)裂縫，還要實(shí)施全面封閉處理，利用角磨機(jī)或砂紙對表面進(jìn)行打磨，將油漬和雜物清除，保證表面平整、潔凈。針對轉(zhuǎn)角位置，需要打磨成圓弧狀，利用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行表面清理，使表面保持干燥。

3.3.2 底膠涂抹

在完成基底處理后，可以按照3∶1 比例對主劑和固化劑進(jìn)行混合，完成底膠配置。在實(shí)踐施工中，需要利用電子秤進(jìn)行精確計量，保證底膠配置效果。利用電動攪拌機(jī)將底膠攪拌均勻后，可以采用滾筒刷在混凝土表面均勻涂抹底膠，固化后，進(jìn)行下一步工序施工。底膠的使用容易受到溫度影響，還應(yīng)在完成底膠配置后的45min 內(nèi)完成底膠涂抹，以免因底膠凝固氧化而無法施工。此外，環(huán)境濕度也將給施工質(zhì)量帶來影響，還應(yīng)確?，F(xiàn)場相對濕度不超70%。在底膠涂抹階段，需要同時開展找平作業(yè)，發(fā)現(xiàn)凹陷位置及時利用修補(bǔ)劑進(jìn)行處理，如模板接頭高差超限位置還應(yīng)體現(xiàn)修平，以免影響后續(xù)施工。

3.3.3 粘貼防護(hù)

在碳纖維布粘貼階段，需要結(jié)合技術(shù)方案完成碳纖維材料裁剪。實(shí)際在粘貼時，需要提前完成黏結(jié)劑的配制，然后在混凝土表面涂抹，厚度應(yīng)超出底膠層厚，至少為2mm，避免出現(xiàn)漏涂問題。利用刮板進(jìn)行刮涂操作，能夠保證膠均勻分布。

針對碳纖維邊緣，應(yīng)適當(dāng)增加涂抹量，如搭接位置和拐角位置。針對混凝土方柱，需要采用纏繞方式粘貼，從上方開始向下纏繞，保證材料均勻粘貼，使柱的荷載能力得到提高。在正截面構(gòu)件上粘貼碳纖維布，應(yīng)保證粘接材料得到正確組合。按照施工規(guī)范，材料沿著纖維方向的粘貼長度至少應(yīng)達(dá)到200mm，搭接長至少達(dá)到100mm。粘貼后，需要利用滾壓工具進(jìn)行表面處理，使材料內(nèi)部的氣泡得到去除，并保證碳纖維與黏結(jié)劑接觸充分。在實(shí)際施工中，由于需要完成多層碳纖維材料的粘貼，還要確保每層材料干燥后才能進(jìn)行下一層材料粘貼。完成碳纖維材料粘貼后，需要按照規(guī)定養(yǎng)護(hù)，在提升材料耐久性的同時，避免加固后的構(gòu)件發(fā)生損壞。結(jié)合這一目標(biāo)，需要在外部涂抹水泥砂漿，選用防火防護(hù)涂料。

3.4 注意事項

在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用碳纖維材料，為保證結(jié)構(gòu)加固效果，需要在各道工序完成后進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，對各道工序參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)記錄，以便發(fā)現(xiàn)問題后能夠參照相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。在整個過程中，重點(diǎn)需要加強(qiáng)碳纖維材料質(zhì)量和粘貼質(zhì)量管控。在粘貼前，應(yīng)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行材料檢測，確保材料力學(xué)性能達(dá)到要求，保證材料質(zhì)量合格。在粘貼后，可利用小錘敲擊方式確定粘貼質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)局部不牢固還要采用針管對黏結(jié)劑進(jìn)行注射。如果檢測發(fā)現(xiàn)粘貼面積未能達(dá)到90%以上，說明施工質(zhì)量不符合要求，需要重新施工。

4 結(jié)語

綜上所述，在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中，應(yīng)用碳纖維材料能夠使構(gòu)件抗彎性能、承力性能等各種性能得到提升，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。而在實(shí)際應(yīng)用的過程中，還應(yīng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)加固需求提出合理技術(shù)方案，并加強(qiáng)各道工序施工管理，使工程質(zhì)量得到保證。