碳纖維加固混凝土在工程建筑中的應(yīng)用
2015-05-20
在投入使用后的建筑工程，使得建筑物會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的因素均要進(jìn)行修復(fù)與加固。以體積預(yù)加法、鋼筋混凝土增厚發(fā)、粘鋼法等手段為主，在傳統(tǒng)的加固修復(fù)技術(shù)中，而碳纖維加固技術(shù)逐步加入到建筑工程的加固修復(fù)的隊(duì)伍中來，隨著碳纖維加固技術(shù)的成熟。因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐久性好、密度小等特點(diǎn)，它在各種各樣的惡劣環(huán)境能夠適應(yīng)。也廣泛開始在國(guó)內(nèi)使用這種材料進(jìn)行加固混凝土。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要分為織物和板材兩種類型的碳纖維復(fù)合材料。
一、碳纖維加固混凝土的特性
碳纖維材料加固技術(shù)混凝土構(gòu)件，是指在混凝土結(jié)構(gòu)的外面將碳纖維材料片粘貼運(yùn)用樹脂粘接劑，通過兩者之間的協(xié)同作用，形成一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，是一種提高混凝土結(jié)構(gòu)的延展性和承載力的加固修復(fù)技術(shù)。它的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：
?。ㄒ唬?、能夠節(jié)約成本，施工方便快捷，施工的安全程度得到提高。這主要是由于碳纖維材料它的密度只有普通鋼材的 25%，它的密度很低，要遠(yuǎn)低于普通鋼材碳纖維材料的重量，在使用同等體積的材料的情況下，這就使得施工過程中材料運(yùn)輸?shù)碾y度得到降低。
?。ǘ⒖梢詫?shí)現(xiàn)無縫隙粘貼，將碳纖維復(fù)合材料與混凝土構(gòu)件融合成一個(gè)整體，混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力提高。在混凝土針對(duì)不同的構(gòu)件加固時(shí)，會(huì)采用不同的方法。當(dāng)對(duì)建筑物柱體的抗震能力以及承載能力進(jìn)行加固時(shí)，適合使用全封閉式粘貼。由于碳纖維材料的特性而決定了這些不同的加固方式。
（三）、耐久性好以及抗腐蝕性，各種復(fù)雜的環(huán)境都能夠適應(yīng)，特別是各種工業(yè)廠房中廣泛存在一些化學(xué)氣體的混凝土加固，由于自然環(huán)境所引起的混凝土結(jié)構(gòu)損害得以避免。
?。ㄋ模?、拉伸強(qiáng)度高，其具備普通鋼材的十幾倍的拉伸強(qiáng)度，可以大幅度使得混凝土構(gòu)件的承載能力提高。它目前已經(jīng)達(dá)到了 7.0GPa的抗拉強(qiáng)度，是一種性能非常好的加固材料。
二、碳纖維加固混凝土的實(shí)施方法
一般情況下，施工流程中碳纖維加固混凝土能夠簡(jiǎn)化為下面幾個(gè)階段。
?。ㄒ唬?、卸荷是指卸掉活荷載，對(duì)其他構(gòu)件產(chǎn)生的影響中減少活荷載。卸荷，這是進(jìn)行加固前的一個(gè)步驟。
?。ǘ?、基底處理，即為了使其達(dá)到碳纖維加固的要求，對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理。應(yīng)該將凸起的部分利用混凝土打磨機(jī)磨平，如果混凝土表面有凸起的部位；對(duì)裂縫部位應(yīng)該進(jìn)行封閉處理，如果出現(xiàn)裂縫；如果混凝土有水漬或表面潮濕，保持混凝土表面的干燥，應(yīng)該用吹風(fēng)機(jī)將其吹干。
?。ㄈ?、涂底膠。應(yīng)該根據(jù)加固構(gòu)件以及不同當(dāng)?shù)氐臍鉁?，涂底膠的過程中，決定使用的時(shí)間和底膠的厚度，底膠提前避免固化。而將底膠滲入到混凝土表面的細(xì)孔中應(yīng)該注意，在涂抹的過程中，能夠和構(gòu)件充分的貼合使碳纖維材料進(jìn)行粘貼時(shí)。
（四）、修補(bǔ)平整。即使混凝土表面的轉(zhuǎn)角處無棱角，呈光滑狀，避免碳纖維材料損壞，以降低成本。
?。ㄎ澹?、粘貼碳纖維材料。對(duì)碳纖維材料進(jìn)行剪裁按加固要求，再配置膠液，在需要粘貼的碳纖維材料部位均勻的涂抹。把握需要注意整個(gè)加固工程的整體用量對(duì)于膠液的量，以免浪費(fèi)。而應(yīng)該注意到不要讓碳纖維材料留有氣泡在進(jìn)行粘貼的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)使用特制的滾筒沿碳纖維的方向應(yīng)該立即多次滾壓將氣泡擠出。都應(yīng)該使用普通的粘或者鋼橫向的碳纖維材料進(jìn)行固定在碳纖維材料的端部，使得碳纖維材料防止脫落。
（六）、防護(hù)處理。在加固工作完成之后，首先是對(duì)碳纖維材料進(jìn)行必要的保護(hù)，碳纖維材料的表面涂抹防火涂料；其次應(yīng)該對(duì)是否符合最初的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢查。
但是由于所涂抹的底漆的不同，具體的碳纖維復(fù)合材料的不同，又呈現(xiàn)差異性變化的碳纖維加固混凝土技法。在這里介紹修補(bǔ)加固增強(qiáng)三種不同的技術(shù)。
1、bayashi-Mitsubishi 法。這是由日本三菱化學(xué)公司所提出來的方法。首先使其變得光滑平整，它要對(duì)修復(fù)的表面進(jìn)行清理；其次是進(jìn)行打底漆對(duì)修復(fù)加固表面；接著刷樹脂層在修復(fù)加固架構(gòu)的表面，并涂上一層樹脂在 Repiark 碳纖維復(fù)合材料的粘貼面；最后進(jìn)行粘貼黏合將碳纖維材料再噴上防火涂層。
2、Mbrace法。首先使其變得光滑平整，它要對(duì)修復(fù)的表面進(jìn)行清理；其次是打膩?zhàn)硬⑼可?nbsp;Mbrace 底漆；接著涂上一層Mbrace浸漬劑在要求進(jìn)行加固的混凝土構(gòu)件表面，再對(duì)好粘貼將Mbrace碳纖維復(fù)合材料；最后涂上第二種浸漬涂層在半小時(shí)之后。進(jìn)行表面涂層的涂抹一到兩天后。
3、SIKA 法。首先會(huì)混凝土構(gòu)件表面進(jìn)行清理，填補(bǔ)裂紋、去除損壞的水泥殘塊、噴沙清理和平整表面；其次涂覆 Sikadur 粘結(jié)劑在清理好的表面上；接著在表面的塵渣進(jìn)行切割并去除殘留將預(yù)固化的Cabodur 條按設(shè)計(jì)的要求；最后在水泥表面和Cabodur 條都涂覆環(huán)氧樹脂，不需任何捆扎或支撐，將其粘連在一起，停留24h即可。
三、碳纖維加固混凝土面臨的主要問題
雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)在碳纖維復(fù)合材料加固混凝土中，但是在實(shí)際應(yīng)用方面和理論研究還是諸多的不足存在，這就包括進(jìn)行理論的分析以及系統(tǒng)的研究、國(guó)產(chǎn)化碳纖維質(zhì)量的提高對(duì)于碳纖維材料的力學(xué)特性等等。
?。ㄒ唬?、技術(shù)問題
1、對(duì)于研究碳纖維的力學(xué)特性的不足。顯然將成為混凝土加固修復(fù)的主要手段之一的碳纖維加固混凝土，而并未呈現(xiàn)系統(tǒng)化對(duì)于碳纖維的力學(xué)特性的研究，相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析缺乏。不能準(zhǔn)確使用更為合理的碳纖維材料分布針對(duì)不同的混凝土構(gòu)件，常常是通過少量試驗(yàn)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行加固，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)沒有形成。
2、對(duì)于抗震性能以及碳纖維疲勞的研究也不夠透徹。甚至在論證加固節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不同的專家學(xué)者來說，有的學(xué)者認(rèn)為可以顯著提高節(jié)點(diǎn)核心的抗震承載能力的碳纖維布的加固方法，可以進(jìn)行廣泛使用；而有的學(xué)者卻認(rèn)為并不能提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載抗震能力在碳纖維布加固混凝土中。
（二）、適應(yīng)應(yīng)用問題
1、成本過高。一般比鋼材的造價(jià)碳纖維加固混凝土的造價(jià)要高出一半甚至一倍。在國(guó)內(nèi)使用的碳纖維材料早期多來自于日本和瑞士。但國(guó)內(nèi)也有一些廠家開始生產(chǎn)制造碳纖維材料，隨著碳纖維材料廣泛的應(yīng)用前景。
2、需要結(jié)合其他方法，才能對(duì)某些特定部位進(jìn)行加固。譬如碳纖維就無法對(duì)其加固，對(duì)于十字交叉梁節(jié)點(diǎn)處的負(fù)筋不足的問題，而只好進(jìn)行焊接通過鋼板來實(shí)現(xiàn)加固。
3、沒有相應(yīng)的技術(shù)指南和施工標(biāo)準(zhǔn)?？煽康募夹g(shù)指南以及施工標(biāo)準(zhǔn)是保障其健康發(fā)展的有效手段，對(duì)于一個(gè)前景頗好的行業(yè)來說。而在我國(guó)，并沒有形成一定的規(guī)章制度與技術(shù)指標(biāo)對(duì)于碳纖維材料加固混凝土，這就引起了管理的不善以及施工的混亂。
四、工程實(shí)例
工程概況：某市某購(gòu)物中心要接層加固進(jìn)行改造，主體部分為二層框架結(jié)構(gòu)的此購(gòu)物中心，建筑面積達(dá)1.1×103平方米。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定及加固要求，對(duì)梁以及柱進(jìn)行碳纖維材料決定采用加固，對(duì)于板采用重新?lián)Q三級(jí)板和現(xiàn)澆板疊加兩種方式進(jìn)行。其中采用的碳纖維材料的特性如下表1。
按照一般的碳纖維材料加固混凝土的方法在施工過程中進(jìn)行加固，沒用出現(xiàn)裂縫加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也都在規(guī)范要求內(nèi)的梁、板各種性能指標(biāo)，經(jīng)使用與檢測(cè)，效果比較理想。
總之，對(duì)在工程建筑中碳纖維加固混凝土的應(yīng)用主要通過碳纖維材料加固混凝土的施工流程、面臨的主要問題以及方法與特點(diǎn)進(jìn)行了分析。隨著碳纖維加固技術(shù)的不斷成熟可以看到，將不斷擴(kuò)大它的應(yīng)用前景。而且它很有可能成為最廣泛的建筑材料代替鋼鐵，由于碳纖維材料的特性。而在建筑工程中也應(yīng)該繼續(xù)深入對(duì)于碳纖維材料的應(yīng)用研究。
