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碳纤维布加固技术在建筑工程中的应用

作者：夏泽斌

来源：《中国新技术新产品精选》2009年第21期

摘 要:由于自然环境、施工质量和实际使用各种因素的影响,已建砼结构或构件可能会出现设计标准偏低、承载能力不足,砼表面裂缝等问题,这些砼结构或构件除少数为必须拆除重建才能满足需要以外,绝大部分可以通过加固改造就能提高或者改善结构承载能力,由此而达到结构安全和满足使用要求。该文简要介绍了碳纤维布结构加固的特点和原理,通过工程实例分析了碳纤维布结构加固施工的优越性,阐述了碳纤维布结构加固技术的施工工艺及技术措施,从而促进碳纤维布结构加固技术的发展。

关键词:建筑工程;碳纤维布技术;加固原理

近年来,人们对结构的安全性,使用性和耐久性要求不断增强,对现有结构的维护和维修加固引起了工程界的广泛重视。有很多的因素会缩短现有结构的使用寿命如物理老化,化学腐蚀,社会需求的变化,设计标准的提高等,这些出现问题的建筑物,当实际情况不允许推倒重建时,则只能采取适当的技术措施对其进行加固补强处理。随着材料科学的发展,碳纤维材料在建筑工程中的应用逐渐成为国内各大学术机构研究的热点。下面,就让我们来了解一下碳纤维加固技术在建筑工程中的一些应用情况吧。

1 碳纤维布的材料特性及优点

碳纤维增强聚合物(carbon fibre reinforced poly-mer简称cfrp,也称为碳纤维增强塑料)是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。用碳纤维布加固具有以下几个优点:

a.高强高效:强度约为普通钢板的10倍,抗拉强度2500～3550MPA,弹性模量2.35×105～5.0×105MPA; b.自重轻、厚度薄:比重1.8g/cm3,每层厚0.1～0.2mm,基本不增加结构自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪;

c.高耐久性:由于不会生锈,非常适合有盐等腐蚀环境下使用,加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性;

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d.施工简便:不需大型施工机构及周转材料,也不需现场固定设施易于操作,经济性好; e.施工工期短:本工程实例仅用一周;

因此,碳纤维结构加固技术在混凝土结构方面已产生较大的效应。

f.适用面广:碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补,如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构,要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可;另外,砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。

2 碳纤维布的加固原理

粘贴碳纤维布加固修复砼结构技术是近年来在发达国家兴起的一项新型加固技术,该项技术是将碳纤维这种高性能纤维材料应用于土木工程,利用树脂材料把纤维粘贴于结构或构件表面,形成复合材料体,通过与结构或构件的协同工作,提高结构或构件的(抗弯、抗剪)承载能力,由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。

3 工程应用实例

某结构物,因长期受腐蚀性气体的侵蚀,三根薄腹梁下弦混凝土与钢筋均遭受严重腐蚀,导致保护层混凝土开裂、酥松、剥落,下弦钢筋锈蚀、剥落,钢筋受力截面削弱,危及结构安全;经与设计人员一起进行分析比较,选择粘贴碳纤维布进行加固,能防止腐蚀性气体的侵蚀,延长梁的使用寿命。

3.1 碳纤维布加固的依据及前提

碳纤维布加固的依据:结构物图纸及经过检测报告;实地考察的腐蚀情况;薄腹梁的实际检测强度;《混凝土结构加固技术规程》。

3.2 碳纤维布加固的前提

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首先,利用回弹法对薄腹梁混凝土进行检测,以供加固参考。经检测,混凝土的实际强度为C30。根据设计图纸及现场混凝土、钢筋的腐蚀情况,考虑提高下弦的抗拉强度等级,为此,将610mm宽的t700s型碳纤维布裁成两半,分两层粘贴在下弦的底面及两侧(薄腹梁下弦宽度为200mm),加固后,相当于增加原受拉钢筋面积的46%,弥补了由于原钢筋锈蚀而造成的截面削减,构件的承载力得到加强,而且,总体配筋率ρmin≤ρ≤ρmax ,可以满足使用要求。

3.3 碳纤维布加固的设计

因结构物下底宽度为200mm,而碳纤维布的宽度为610mm,兼顾加固时碳纤维布的幅宽效应及下弦的受拉范围,考虑将碳纤维布裁为两半,一层为300mm宽,一层为310mm宽,分两层粘贴在梁的下侧及两面侧边(两侧边高度为50-55mm),应注意:转角处须处理成圆角(r≥10mm)。

3.4 碳纤维布加固的施工

施工准备。施工材料的准备:底胶及粘着胶,t700s型碳纤维布。辅助材料的准备:专用滚筒,刮板,角向磨光机,剪刀,凿子,榔头,台秤,丙酮。

搭设脚手架。按安全规程要求搭设好脚手架,高度以方便施工为前提。

施工工艺。把屋架下弦被腐蚀部位的疏松混凝土凿掉,把锈蚀的钢筋用钢丝刷刷掉被锈蚀层;补粉凿除的混凝土梁,用sj-601防腐砂浆补粉凿除的混凝土梁(对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复),并养护三天;用压缩空气将表面浮尘清除干净[未凿部位(需加固处)用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,构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],用丙酮将需粘贴处清洗干净。

涂底胶,将jgn-p胶甲乙组分按需按3:1的重量称好,放在洁净的容器中调和均匀,用刮板将它均匀地涂在屋架底面(两侧刮150mm),待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准)再进行下一工序施工。注意:调好的底胶须在规定的时间内用完,一般情况下40min内用完。 找平混凝土表面凹陷部位用修补胶(胶掺入两倍粉料)填平,模板接头等出现高度差的部位应用修补胶填补,尽量减少高度差。

粘贴碳纤维布。将胶甲乙组分按3:1的重量称好,放在洁净的容器中调和均匀,用刮板将胶均匀地涂刮在底胶上需粘贴碳纤维布处,随即把按设计要求已裁剪好的碳纤维布粘贴在设计部位,然后用专用滚子沿碳纤维布的受力方向来回滚压,挤出汽泡。待指触干燥后,即可以进行第二道碳纤维布的粘贴,方法同第一道。注意:碳纤维布的搭接长度一般为100mm,端部用横向碳纤维布固定。