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[摘要]近年来，碳纤维增强复合材料因其具有独特的优越性，在混凝土结构修复、补强加固工程中得到广泛的应用。本文用工程实例来阐述碳纤维加固补强技术的应用。
[关键词]碳纤维片材；加固补强；树脂
1. 前言
某工程始建于1995年，为钢筋混凝土框架结构，共四层。在使用中发现一层框架梁局部产生斜裂缝和纵向裂缝，其裂缝宽度约为0.3mm～0.8mm，影响正常使用。采用回弹法对框架梁、柱、板的混凝土强度进行测定，除局部框架梁的混凝土强度偏低，其余均满足设计要求。由于裂缝宽度超标影响结构的耐久性，因此需要采取加固措施。
2. 材料性能
碳纤维片材是以碳纤维为组分，以树脂为基体，通过一定的成型方法形成单向排列的碳纤维复合片材。一般碳纤维重量为200g/m2，其材料质轻高强，碳纤维片材的抗拉强度为同截面钢材抗拉强度的7～10倍。用配套树脂将它与结构物粘贴并形成一体，与钢筋混凝土共同工作，达到加固补强效果。
2.1碳纤维片材必须满足表1所示的性能指标的要求。
2.2配套树脂。
碳纤维片材对混凝土结构进行加固时应采用与其相配套的底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘结树脂，配套树脂应保证其对混凝土具有良好的渗透作用，只有通过配套树脂将碳纤维粘附于钢筋混凝土结构表面，并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强加固的目的，因此配套树脂的性能是碳纤维本身充分发挥其强大力学性质和耐久性能的关键。
找平材料：其主要用于填充混凝土上的微小缺损部分，因此它必须具有与混凝土同等以上的压缩强度，同时还应具有较高的压缩弹性模量，使其与混凝土协同工作。同时找平材料还应具有同底层树脂相同粘结强度，使其将荷载传递到碳纤维片材上。
浸渍树脂和粘结树脂：由于碳纤维片材加固是通过向碳纤维片材内渗透或浸渗粘结树脂，并通过固化形成CFRP，而浸渗粘结树脂本身的物性并不重要，其固化后所形成CFRP的物性是非常重要，尤其是其最小拉伸强度和弯曲强度是保证同碳纤维共同工作的基础；同时浸渗粘结树脂除了渗透到碳纤维片材内，通过固化形成CFRP之外，还应具有粘结剂的性能，它与找平材料、底层树脂一样均应具有将荷载传递到碳纤维片材上的力学性能。浸渍树脂和粘结树脂的性能指标应满足表3的要求。
2.3碳纤维加固特性。
碳纤维加固它具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等特性，同时其具有抗疲劳强度高、耐久性能好、耐磨损和抗老化和易于保持结构原状等优良特性，此外它可以有效的封闭混凝土结构裂缝，延长结构的使用寿命，因此被广泛应用于混凝土结构加固补强设计中。但是，由于施工使用配套树脂，其耐火性和耐高温的工作性能较差，一般情况下其加固结构的工作温度不应超过60℃。因此，应用于建筑结构加固时必需采取必要的防火保护措施。
3. 碳纤维加固与其他加固对比
3.1与粘钢加固法比较。
首先碳纤维具有上述诸多优良性能，其加固对结构来讲，其重量增加非常小，可忽略不计；此外碳纤维柔性好，易于剪裁，适合于任何形状结构加固，施工简便、快捷，没有湿作业，易于操作，施工周期短，对加固后的结构耐久性和耐腐蚀性有较大提高。而粘钢加固的施工操作要比碳纤维加固施工复杂，对结构自重有一定增加。但目前粘钢加固技术的研究比较成熟，对于承载力增加较大的结构加固还应采用粘钢加固法。而本项结构加固补强工程，由于其承载力不增加，因此采用碳纤维进行加固处理具有比较好的优势。
3.2与传统加固手段相比。
由于碳纤维加固施工用材料主要有两种：即碳纤维材料和粘贴用结构胶粘剂。在结构加固中适用广泛，具有良好的粘合性能和极佳的耐腐蚀性能，同时无论结构形状有什么千差万别，它都能顺利地解决加固问题，不影响原结构的外观和使用功能。而其它增大断面法、局部置换加固法、预应力加固法和增设支点加固法等传统加固手段是无法实现的。
以上这些优势使其加固达到高强、高效的目的，对于抗震加固等尤其具有重要意义。但它也有一些不足，其防火性能较差，其加固后结构的长期使用温度条件受限制等。但这些缺点可以通过采取其他措施得到改善，使其充分发挥优势。
4. 加固补强设计
4.1结构计算分析。
首先依据原有图纸及工程资料，对原钢筋混凝土框架结构进行分析，采用PKPM结构设计软件进行计算，通过计算分析，原有钢筋混凝土框架梁的强度、裂缝宽度、挠度等均符合设计规范要求，说明原结构计算设计没有问题。
4.2分析裂缝产生的原因。
通过对建筑物使用情况分析，该工程临近海边，长期在潮湿环境下使用，钢筋锈蚀使混凝土外保护层脱落，产生纵向裂缝。而通过对框架梁、柱混凝土强度检测，大多数满足设计强度要求，只是局部混凝土梁强度略低于设计强度要求。同时施工中框架梁端部箍筋实际间距比设计略大，这也是框架梁产生斜裂缝的原因之一。但加固前对其裂缝进行观察，发现目前裂缝基本处于稳定状态，因此可只对裂缝进行局部加固修复处理。
4.3加固处理。
综合上述分析，对框架梁裂缝进行局部加固处理。根据规范要求，按构造设置碳纤维布。具体详见图1。
5. 碳纤维加固主要施工方法
碳纤维布加固的主要施工工艺及操作流程为：对加固结构卸荷处理→混凝土基底处理→涂抹底层树脂→找平→粘贴碳纤维布→面层保护→竣工验收。
5.1卸荷。
首先对所要加固的混凝土结构或构件尽可能的卸荷，减少原结构在荷载作用下的变形影响。
5.2混凝土基层处理。
将所要加固的钢筋混凝土框架梁、柱等构件的表面抹灰装饰面层均铲除掉，并对混凝土梁的裂缝处进行剃凿，将剥落、腐蚀、松动部分劣质层均清除干净，之后对裂缝进行注胶封闭处理，再采用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，同时要求将所要加固部位的混凝土基面尽量打磨平整，再对加固的梁、柱转角粘贴碳纤维处进行倒角处理，使其所倒圆角半径不应小于20mm，最后用风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
5.3涂抹底层树脂。
首先按厂家提供的产品要求进行底层树脂配制，然后再采用滚筒刷将树脂均匀地涂抹于处理好的混凝土基层表面上，待底层树脂固化后再进行下一工序施工。
5.4找平处理。
对混凝土表面局部凹陷部位采用找平材料填补平整，在找平过程中不允许出现有棱角的凸出物，对于混凝土梁、柱转角处也应采用找平材料修整成为光滑的圆弧，其半径不应小于20mm。在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序施工。
5.5粘贴碳纤维布。
按设计要求进行裁剪碳纤维布，同时按工艺要求配置浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位，在搭接和混凝土梁、柱转角等部位要多涂刷一些，确定所粘贴部位后剥去离型纸，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，除去气泡，并使树脂充分浸透碳纤维布。待前面一层碳纤维布表面指触干燥后方可进行下一层的粘贴，最后均匀涂刷一层粘结树脂。
5.6加固面层保护。
对于碳纤维加固后的结构表面应依据建筑物的防火等级要求进行防火保护和装饰面层处理。本工程为在原有结构基础上进行碳纤维加固修复，其耐火等级为二级，面层采用25mm厚水泥砂浆抹面保护。
5.7施工注意事项。首先由于碳纤维为导电材料，因此在进行碳纤维施工时应注意远离电气设备和电源，并采取可靠的防护措施，其次其配套使用的树脂应密闭储存，远离火源，并避免阳光直接照射，树脂配置和使用场所应保持良好的通风，对现场施工操作人员应采取相应劳动保护措施。
6. 结论
碳纤维加固混凝土结构技术是在20世纪80年代末发展起来的。由于优点多，效果明显，在日本、美国以及欧洲等国家和地区应用已相当普及，使用范围已深入到众多领域，在结构加固方面是使用最广泛的一种技术，并且已经实现了产业化。而我国只是在近几年内才发展起来，其发展前景非常广阔，尤其是近年来研究采用碳纤维加固砌体结构也取得了较好的科研进展，采用碳纤维进行结构加固应用会越来越广泛。
［文章编号］1006-7619(2009)03-04-097
注：“本文所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文”。
[关键词]碳纤维片材；加固补强；树脂
1. 前言
某工程始建于1995年，为钢筋混凝土框架结构，共四层。在使用中发现一层框架梁局部产生斜裂缝和纵向裂缝，其裂缝宽度约为0.3mm～0.8mm，影响正常使用。采用回弹法对框架梁、柱、板的混凝土强度进行测定，除局部框架梁的混凝土强度偏低，其余均满足设计要求。由于裂缝宽度超标影响结构的耐久性，因此需要采取加固措施。
2. 材料性能
碳纤维片材是以碳纤维为组分，以树脂为基体，通过一定的成型方法形成单向排列的碳纤维复合片材。一般碳纤维重量为200g/m2，其材料质轻高强，碳纤维片材的抗拉强度为同截面钢材抗拉强度的7～10倍。用配套树脂将它与结构物粘贴并形成一体，与钢筋混凝土共同工作，达到加固补强效果。
2.1碳纤维片材必须满足表1所示的性能指标的要求。
2.2配套树脂。
碳纤维片材对混凝土结构进行加固时应采用与其相配套的底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘结树脂，配套树脂应保证其对混凝土具有良好的渗透作用，只有通过配套树脂将碳纤维粘附于钢筋混凝土结构表面，并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强加固的目的，因此配套树脂的性能是碳纤维本身充分发挥其强大力学性质和耐久性能的关键。
找平材料：其主要用于填充混凝土上的微小缺损部分，因此它必须具有与混凝土同等以上的压缩强度，同时还应具有较高的压缩弹性模量，使其与混凝土协同工作。同时找平材料还应具有同底层树脂相同粘结强度，使其将荷载传递到碳纤维片材上。
浸渍树脂和粘结树脂：由于碳纤维片材加固是通过向碳纤维片材内渗透或浸渗粘结树脂，并通过固化形成CFRP，而浸渗粘结树脂本身的物性并不重要，其固化后所形成CFRP的物性是非常重要，尤其是其最小拉伸强度和弯曲强度是保证同碳纤维共同工作的基础；同时浸渗粘结树脂除了渗透到碳纤维片材内，通过固化形成CFRP之外，还应具有粘结剂的性能，它与找平材料、底层树脂一样均应具有将荷载传递到碳纤维片材上的力学性能。浸渍树脂和粘结树脂的性能指标应满足表3的要求。
2.3碳纤维加固特性。
碳纤维加固它具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等特性，同时其具有抗疲劳强度高、耐久性能好、耐磨损和抗老化和易于保持结构原状等优良特性，此外它可以有效的封闭混凝土结构裂缝，延长结构的使用寿命，因此被广泛应用于混凝土结构加固补强设计中。但是，由于施工使用配套树脂，其耐火性和耐高温的工作性能较差，一般情况下其加固结构的工作温度不应超过60℃。因此，应用于建筑结构加固时必需采取必要的防火保护措施。
3. 碳纤维加固与其他加固对比
3.1与粘钢加固法比较。
首先碳纤维具有上述诸多优良性能，其加固对结构来讲，其重量增加非常小，可忽略不计；此外碳纤维柔性好，易于剪裁，适合于任何形状结构加固，施工简便、快捷，没有湿作业，易于操作，施工周期短，对加固后的结构耐久性和耐腐蚀性有较大提高。而粘钢加固的施工操作要比碳纤维加固施工复杂，对结构自重有一定增加。但目前粘钢加固技术的研究比较成熟，对于承载力增加较大的结构加固还应采用粘钢加固法。而本项结构加固补强工程，由于其承载力不增加，因此采用碳纤维进行加固处理具有比较好的优势。
3.2与传统加固手段相比。
由于碳纤维加固施工用材料主要有两种：即碳纤维材料和粘贴用结构胶粘剂。在结构加固中适用广泛，具有良好的粘合性能和极佳的耐腐蚀性能，同时无论结构形状有什么千差万别，它都能顺利地解决加固问题，不影响原结构的外观和使用功能。而其它增大断面法、局部置换加固法、预应力加固法和增设支点加固法等传统加固手段是无法实现的。
以上这些优势使其加固达到高强、高效的目的，对于抗震加固等尤其具有重要意义。但它也有一些不足，其防火性能较差，其加固后结构的长期使用温度条件受限制等。但这些缺点可以通过采取其他措施得到改善，使其充分发挥优势。
4. 加固补强设计
4.1结构计算分析。
首先依据原有图纸及工程资料，对原钢筋混凝土框架结构进行分析，采用PKPM结构设计软件进行计算，通过计算分析，原有钢筋混凝土框架梁的强度、裂缝宽度、挠度等均符合设计规范要求，说明原结构计算设计没有问题。
4.2分析裂缝产生的原因。
通过对建筑物使用情况分析，该工程临近海边，长期在潮湿环境下使用，钢筋锈蚀使混凝土外保护层脱落，产生纵向裂缝。而通过对框架梁、柱混凝土强度检测，大多数满足设计强度要求，只是局部混凝土梁强度略低于设计强度要求。同时施工中框架梁端部箍筋实际间距比设计略大，这也是框架梁产生斜裂缝的原因之一。但加固前对其裂缝进行观察，发现目前裂缝基本处于稳定状态，因此可只对裂缝进行局部加固修复处理。
4.3加固处理。
综合上述分析，对框架梁裂缝进行局部加固处理。根据规范要求，按构造设置碳纤维布。具体详见图1。
5. 碳纤维加固主要施工方法
碳纤维布加固的主要施工工艺及操作流程为：对加固结构卸荷处理→混凝土基底处理→涂抹底层树脂→找平→粘贴碳纤维布→面层保护→竣工验收。
5.1卸荷。
首先对所要加固的混凝土结构或构件尽可能的卸荷，减少原结构在荷载作用下的变形影响。
5.2混凝土基层处理。
将所要加固的钢筋混凝土框架梁、柱等构件的表面抹灰装饰面层均铲除掉，并对混凝土梁的裂缝处进行剃凿，将剥落、腐蚀、松动部分劣质层均清除干净，之后对裂缝进行注胶封闭处理，再采用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，同时要求将所要加固部位的混凝土基面尽量打磨平整，再对加固的梁、柱转角粘贴碳纤维处进行倒角处理，使其所倒圆角半径不应小于20mm，最后用风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
5.3涂抹底层树脂。
首先按厂家提供的产品要求进行底层树脂配制，然后再采用滚筒刷将树脂均匀地涂抹于处理好的混凝土基层表面上，待底层树脂固化后再进行下一工序施工。
5.4找平处理。
对混凝土表面局部凹陷部位采用找平材料填补平整，在找平过程中不允许出现有棱角的凸出物，对于混凝土梁、柱转角处也应采用找平材料修整成为光滑的圆弧，其半径不应小于20mm。在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序施工。
5.5粘贴碳纤维布。
按设计要求进行裁剪碳纤维布，同时按工艺要求配置浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位，在搭接和混凝土梁、柱转角等部位要多涂刷一些，确定所粘贴部位后剥去离型纸，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，除去气泡，并使树脂充分浸透碳纤维布。待前面一层碳纤维布表面指触干燥后方可进行下一层的粘贴，最后均匀涂刷一层粘结树脂。
5.6加固面层保护。
对于碳纤维加固后的结构表面应依据建筑物的防火等级要求进行防火保护和装饰面层处理。本工程为在原有结构基础上进行碳纤维加固修复，其耐火等级为二级，面层采用25mm厚水泥砂浆抹面保护。
5.7施工注意事项。首先由于碳纤维为导电材料，因此在进行碳纤维施工时应注意远离电气设备和电源，并采取可靠的防护措施，其次其配套使用的树脂应密闭储存，远离火源，并避免阳光直接照射，树脂配置和使用场所应保持良好的通风，对现场施工操作人员应采取相应劳动保护措施。
6. 结论
碳纤维加固混凝土结构技术是在20世纪80年代末发展起来的。由于优点多，效果明显，在日本、美国以及欧洲等国家和地区应用已相当普及，使用范围已深入到众多领域，在结构加固方面是使用最广泛的一种技术，并且已经实现了产业化。而我国只是在近几年内才发展起来，其发展前景非常广阔，尤其是近年来研究采用碳纤维加固砌体结构也取得了较好的科研进展，采用碳纤维进行结构加固应用会越来越广泛。
［文章编号］1006-7619(2009)03-04-097
注：“本文所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文”。