黃 峰

碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于20世紀80年代美、日等發(fā)達國家。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，碳纖維加固技術(shù)的研究和應(yīng)用有了長足的進步。

碳纖維加固技術(shù)是指將抗拉強度極高的碳纖維用環(huán)氧樹脂預(yù)浸成為復(fù)合增強材料(單向連續(xù)纖維)，然后用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結(jié)構(gòu)上，形成一個新的復(fù)合體，使增強粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力，增大結(jié)構(gòu)的抗裂或抗剪能力，提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度、抗裂性和延伸性。

碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節(jié)省空間，施工簡便，不需要現(xiàn)場固定設(shè)施，施工質(zhì)量易保證，基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點。另外，采用該工法可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時代的補強材料而備受青睞和關(guān)注。

1 工程概況

某別墅住宅二層梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖中，?軸交⑤軸～⑥軸位置設(shè)梁L202，規(guī)格200 mm×500 mm，梁面標(biāo)高3.450 m，梁底標(biāo)高2.950 m，低于板底標(biāo)高100 mm(板厚 100 mm)。因現(xiàn)場使用要求，梁L202的底部必須與板底做平。初步方案為鑿除梁L202底部100 mm，割除梁底部主筋，然后對影響區(qū)域的板梁結(jié)構(gòu)進行加固處理。經(jīng)對粘鋼加固、碳纖維布粘貼加固、碳纖維板粘貼加固等多種加固方法進行分析比較后，并結(jié)合本工程需加固別墅棟號多、工程量大等實際情況，最終采用了使用碳纖維布粘貼進行梁板結(jié)構(gòu)加固的方案。

2 加固方案

1)加固范圍的確定。梁L202受拉主筋鑿除后，梁自重、梁上外墻(包括內(nèi)外裝飾)自重、板重以及樓面活載均由板底鋪設(shè)的碳纖維布承擔(dān)。由局部荷載影響范圍的規(guī)定，結(jié)合實際經(jīng)驗，最終選定⑤軸～⑥軸交?軸～?軸區(qū)域樓板結(jié)構(gòu)進行加固。

2)計算過程。本工程加固材料采用300 g高強度Ⅱ級單向碳纖維布，厚度0.167 mm，按重要構(gòu)件考慮，抗拉強度設(shè)計值取ff=1 400 MPa，彈性模量設(shè)計值取 Ef=2.0×105M Pa，拉應(yīng)變設(shè)計值取εf=0.007。

加固后的梁板結(jié)構(gòu)按矩形截面受彎構(gòu)件考慮，其受拉邊混凝土邊緣粘貼碳纖維加固材料。原樓板正彎矩筋因梁底筋鑿除可不計。加固后的復(fù)合構(gòu)件承擔(dān)的荷載見表1。

表1 復(fù)合構(gòu)件荷載 kN/m2

復(fù)合構(gòu)件按彈性方法計算。經(jīng)計算，每延米彎矩設(shè)計值M=20.57 kN?m。

由構(gòu)件正截面承載力公式:

可求得混凝土受壓區(qū)高度 x，將 x代入式(2):

考慮強度適當(dāng)折減，實際加固方案為在板底粘貼雙層500 mm寬碳纖維，中心間距400 mm，實際采用的有效截面面積為 Af=1 200 mm2。

3 施工方案

3.1 膠粘劑的配制

1)將原材料按不同配合比準(zhǔn)確稱量，分別配制底涂膠料、整平膠料及粘結(jié)膠料。先將稀釋劑加入聚合物主料內(nèi)攪拌均勻，再將填料加入繼續(xù)攪拌至均勻，最后加入固化劑，充分攪拌后即可使用。2)配制膠料時應(yīng)注意底涂膠料每次配制量以1 kg～2 kg為宜;整平膠料每次配制量以0.5 kg～1 kg為宜;粘結(jié)膠料每次配制量以1 kg～2 kg為宜。3)所有膠料要求于1 h內(nèi)施工完畢。

3.2 基底處理

1)混凝土表面出現(xiàn)剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以剔除，對于較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用聚合物水泥砂漿進行修復(fù)。2)裂縫部位如有必要應(yīng)先進行封閉處理。3)用混凝土絞磨機、砂輪(砂紙)等工具去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≤10 mm)。4)用吹風(fēng)機將混凝土表面清理干凈并保持干燥。

3.3 涂底膠

1)按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定用量，并嚴格控制使用時間。2)用滾筒刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，厚度不超過0.4 mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，待膠固化后(固化時間視現(xiàn)場氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2 h)，再進行下一道工序。

3.4 粘貼碳纖維布

1)按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長度應(yīng)在3 m以內(nèi)。2)配制、攪拌粘貼膠料，然后用滾筒刷均勻涂抹于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當(dāng)多涂抹一些。3)用特制光滑滾子在碳纖維表面沿同一方向反復(fù)滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤膠料。多層粘貼應(yīng)重復(fù)以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方可進行下一層碳纖維布的粘貼。4)在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層粘貼膠料。

4 質(zhì)量保證措施

1)混凝土應(yīng)振搗密實，面層平整，砂漿拌制嚴格按照設(shè)計配比，杜絕偷工減料現(xiàn)象的發(fā)生。2)碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100 mm。粘貼碳纖維布應(yīng)盡量避開障礙物，如遇無法清除的障礙物而需截斷時，在截斷部位要予以適當(dāng)處理，具體措施應(yīng)視不同情況而定。3)每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進行檢驗，做好相關(guān)的驗收記錄，施工結(jié)束后的現(xiàn)場驗收以評定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回聲來判斷粘結(jié)效果，如出現(xiàn)質(zhì)量問題，應(yīng)立即返工。4)若出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實現(xiàn)象，應(yīng)采取針管注膠的方法進行補救。若粘結(jié)面積小于90%，則判定為粘結(jié)無效，需重新施工。

5 結(jié)語

碳纖維加固技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已逐步成熟。碳纖維加固法在施工工期、施工條件方面具有明顯的優(yōu)勢。采用碳纖維加固修補后，基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。碳纖維加固技術(shù)已在混凝土結(jié)構(gòu)抗震修復(fù)加固補強工程中得到廣泛的應(yīng)用。

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