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碳纤维布原理与加固技术的探讨

2009 年12 期(总第60 期) 作者简介:吴伟军(1981-),男,广东广州人,助理工程师,从事公路工程房屋建设施工管理工作。 1 碳纤维布加固技术原理简介 碳纤维材料其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几 倍,但碳纤维材料织成碳纤维布加固后,在承载较低的荷载 时,一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强 度并退出工作状态,各碳纤维丝会逐渐断裂,直到整体 破坏。而使用粘结剂后,各碳纤维丝能很好地共同工 作,大大提高碳纤维布加固整体抗拉强度,可见使用粘结剂 对碳纤维布加固起着关键的作用,它既要确保各碳纤 维丝共同工作,同时又确保碳纤维丝与结构共同工作, 从而达到加固的目的。 碳纤维加固技术适用于砖砌体的某些力学性能进行 加固、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,简单实用 造价低廉。 2 加固工程概况 山区高速公路建设一大特点是山岭重丘、地质复 杂,多挖高填的地方很多,某隧道配电房因自然现象引 起范围积水,造成填方区土有沉降,引起建筑基础不均 匀沉降,现场多处墙体呈倒8 字裂痕、部分梁柱有1~ 3mm 裂隙。经与设计人员一起进行分析比较,选择粘贴 碳纤维布加固,施工快捷实用,造价低廉。 3 材料性能及加固工序 碳纤维布加固特点: (1) 高强高效。抗拉强度2500~ 3550MPa,弹性模量为2.35×105~5.0×105MPa; (2) 重 量轻,厚度薄。比重为1.8g/cm3,每层厚0.1~0.2mm, 很小量增加结构自重及截面尺寸; (3) 适用面广,具 有柔韧性,能包裹复杂外形的构件。(4) 施工便捷。 不需大型机具,无需其他固定措施,施工工效高。织物 覆盖平整,对建筑装修影响小,贮存寿命长,允许操作 期限长。在操作前、操作中和完成后都允许环境存在湿 气。(5) 施工质量易保证。质轻柔软,易裁剪,易帖 附,能灵活地用于抗弯,封闭箍和抗剪加固。


(6) 良 好的耐久性及耐腐蚀性。耐酸碱盐等化学腐蚀,抗高 温,永久荷载作用下抗蠕变,具有触变性和易溶性,符 合环保要求。 表1 常用碳纤维布加固主要性能指标 粘贴碳纤维布加固的胶结材料为树脂胶,按施工工序树 脂胶分为三类,即界面胶(底层胶)、找平胶、粘结胶, 碳纤维布加固原理与加固技术的探讨 吴伟军 (广东梅河高速公路有限公司,广东梅州514571) 摘要:碳纤维布加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布加固粘贴在墙体或混凝土构件表面,使两者共同工作, 有效提高构件的极限承载力和改善构件的变形性能,采用合理的粘贴构造和锚固措施,以达到较好的加固效果。 文章介绍某隧道配电房因建筑基础不均匀沉降引起墙体裂痕的加固技术。 关键词:碳纤维布加固;原理;加固技术 中图分类号:U417.9 文献标识码:B 表2 材料的主要力学性能指标 养护工程 20 2009 年12 期(总第60 期) 粘结材料的主要力学性能指标见表2。 用碳纤维布加固混凝土构件的施工工序为:构件表 面处理→涂界面胶→构件表面整平及涂整平胶→涂粘结 胶→粘贴碳纤维布加固并使粘结胶充分渗透浸润碳纤维布加固→ 加固层的外保护层处理。 4 施工方法 4.1 基面处理 经检测,混凝土梁柱实际强度为C25,适用此种加 固方案。加固时,应先将构件的粘贴基面打磨平整,清 理干净,而不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘,防止碳纤维 布因粘贴基面剥落或局部刻断破坏而引起加固失败。


4.2 碳纤维布加固的粘贴 粘贴碳纤维布加固:按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布加固, 将配制好的粘结胶均匀涂抹在粘贴部份的混凝土面层 上;铺贴碳纤维布,并用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次 滚压,使粘结胶充分浸透纤维中。 对受弯构件可采用将碳纤维布加固在构件的受拉区沿轴 向平直粘贴,为使粘贴于受弯构件上的碳纤维布加固能充分 粘结锚固,可在碳纤维布主纤维方向的断面端部进行附 加锚固处理。当被加固受弯构件为梁时,宜在梁的两端 设置附加等间距封闭缠绕箍。本工程梁柱采用了下述粘 贴方法。 当受剪、受扭构件和梁式受弯构件的两端由于条件 所限不能设置封闭缠绕箍时,受剪、受扭构件可在加固 区段直接采用U 形粘贴加固,梁式受弯构件的两端大于 1m 区段内可分别设置U 形箍。此时应在U 形粘贴的碳 纤维布和U 形箍断口端部用纵向压条进行封闭,用以保 证发挥碳纤维布加固效率。如图1 所示。 图1 碳纤维粘贴方法示意 5 应用中需注意的问题 (1) 加固前。加固构件的各种参数对构件的极限承 载力和破坏特征都有较大影响,因此只有掌握有关数 据,才能作出正确设计。 图2 碳纤维布的抗剪、抗扭加固方式 (2) 对加固构件施工时按设计要求进行卸荷,能消 除或降低构件已产生的裂缝及变形,提高碳纤维布加固利用 效率,使碳纤维布加固尽早参与工作。 (3) 加固构件的碳纤维布加固不宜沿主纤维方向的搭 接,尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。若必 须搭接,其部位应避开构件受力最大区段,搭接长度不 应小于100mm,且搭接端部应平整无翘曲。当采用多条 或多层碳纤维布加固时,各层碳纤维布之间的搭接位置 应相互错开,每层接口位置的净距宜大于200mm。 (4) 为保证受弯构件与加固碳纤维布加固之间有效的粘 结锚固,防止因剥离破坏引起的加固失效,必须做好加 固受弯构件的碳纤维布加固断口端部的锚固,必要时应采取 附加锚固措施,一般采用通长设置的碳纤维布加固压条,压 条应垂直于加固碳纤维布加固的主纤维方向粘贴,其宽度不 宜小于500mm,如图3 所示。 图3 加固碳纤维布断口端部的附加锚固 (5) 对受弯加固,为防止加固量过大可能带来的不 利影响,应限制加固后受弯承载力的提高幅度一般不宜 超过40%,且加固后在荷载短期组合下受拉钢筋的拉应 力不宜超过钢筋抗拉强度的设计值,以控制正常使用阶 段的裂缝开展过大。 (6) 为保证构件加固后的正常使用,避免碳纤维布加固的老化和遭受其他损伤,必须在碳纤维布加固层的外表 面进行密闭防护处理,应采取抹环氧砂浆或涂防火涂料 进行保护。 21 2009 年12 期(总第60 期) 量箱梁横向位移与竖向位移关系,制定顶升过程中限制 横向位移措施。


5 结语 通过模拟计算,采用等比例顶升方案,顶升时箱梁 受力较小,结构更安全。顶升过程中监测了箱梁控制截 面位移、应变等,与计算结果一致,说明顶升方案安全 可控。该方法安全可靠、操作简单、费用低廉,对作为 类似桥梁顶升及支座病害处治参考。并采用结构胶充填 支座脱空、用锲形钢板解决支座偏压病害,达到预期处 治目标。 参考文献: [1] 张劲泉,等.桥梁检测与加固手册.人民交通出版社,2007. [2] 李承昌,等.鞍型支架法更换I 型梁微弯板桥梁支座.山东交通科 技,2002(3). [3] JTG/T J22-2008,公路桥梁加固设计规范. 表3 1# 墩顶升成果表 (7) 气温在5°C 以下,雨天或相对湿度大于95% 时,不可施工。施工时的温度、湿度确认后,选用适当 的底涂树脂。 加固完成后,防止雨淋和受潮,并注意保护表面, 不要让硬物碰伤施工面。为达到设计强度,平均气温 10°C,养护时间二周;平均气温20°C,养护时间一周。 6 结语 粘贴碳纤维步加固技术是一种较新的加固技术,随 之广泛的应用与施工工艺不断进步,其产生比使用旧式 材料更大的经济效益;在混凝土结构的加固中,碳纤维 布主要是分担钢筋的受力,即碳纤维布加固的主要作用是提 高结构构件的抗拉强度,本工程除应用碳纤维布加固梁 柱结构物外,并尝试应用碳纤维布加固砖砌体的技术 (如砖砌体在外界环境影响下产生的裂缝修补,采用碳 纤维布来提高砌体的抗拉力学性能),获得良好效果, 该技术是粘贴碳纤维结构加固技术领域中的新生事物, 在砌体建筑中推广使用必将获得优质的施工质量与巨大 的经济效益。 参考文献: [1] CECS25:90,混凝土结构加固技术规范. [2] JG/T166-2004,纤维片材加固修复结构用粘结树脂. [3] CECS146:2003,碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程. [4] JG/T167-2004,结构加固修复用碳纤维片材. (上接第16 页) 养护工程 22



2009 年12 期(总第60 期) 作者简介:吴伟军(1981-),男,广东广州人,助理工程师,从事公路工程房屋建设施工管理工作。 1 碳纤维布加固技术原理简介 碳纤维材料其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几 倍,但碳纤维材料织成碳纤维布加固后,在承载较低的荷载 时,一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强 度并退出工作状态,各碳纤维丝会逐渐断裂,直到整体 破坏。而使用粘结剂后,各碳纤维丝能很好地共同工 作,大大提高碳纤维布加固整体抗拉强度,可见使用粘结剂 对碳纤维布加固起着关键的作用,它既要确保各碳纤 维丝共同工作,同时又确保碳纤维丝与结构共同工作, 从而达到加固的目的。 碳纤维加固技术适用于砖砌体的某些力学性能进行 加固、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,简单实用 造价低廉。 2 加固工程概况 山区高速公路建设一大特点是山岭重丘、地质复 杂,多挖高填的地方很多,某隧道配电房因自然现象引 起范围积水,造成填方区土有沉降,引起建筑基础不均 匀沉降,现场多处墙体呈倒8 字裂痕、部分梁柱有1~ 3mm 裂隙。经与设计人员一起进行分析比较,选择粘贴 碳纤维布加固,施工快捷实用,造价低廉。 3 材料性能及加固工序 碳纤维布加固特点: (1) 高强高效。抗拉强度2500~ 3550MPa,弹性模量为2.35×105~5.0×105MPa; (2) 重 量轻,厚度薄。比重为1.8g/cm3,每层厚0.1~0.2mm, 很小量增加结构自重及截面尺寸; (3) 适用面广,具 有柔韧性,能包裹复杂外形的构件。(4) 施工便捷。 不需大型机具,无需其他固定措施,施工工效高。织物 覆盖平整,对建筑装修影响小,贮存寿命长,允许操作 期限长。在操作前、操作中和完成后都允许环境存在湿 气。(5) 施工质量易保证。质轻柔软,易裁剪,易帖 附,能灵活地用于抗弯,封闭箍和抗剪加固。


(6) 良 好的耐久性及耐腐蚀性。耐酸碱盐等化学腐蚀,抗高 温,永久荷载作用下抗蠕变,具有触变性和易溶性,符 合环保要求。 表1 常用碳纤维布加固主要性能指标 粘贴碳纤维布加固的胶结材料为树脂胶,按施工工序树 脂胶分为三类,即界面胶(底层胶)、找平胶、粘结胶, 碳纤维布加固原理与加固技术的探讨 吴伟军 (广东梅河高速公路有限公司,广东梅州514571) 摘要:碳纤维布加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布加固粘贴在墙体或混凝土构件表面,使两者共同工作, 有效提高构件的极限承载力和改善构件的变形性能,采用合理的粘贴构造和锚固措施,以达到较好的加固效果。 文章介绍某隧道配电房因建筑基础不均匀沉降引起墙体裂痕的加固技术。 关键词:碳纤维布加固;原理;加固技术 中图分类号:U417.9 文献标识码:B 表2 材料的主要力学性能指标 养护工程 20 2009 年12 期(总第60 期) 粘结材料的主要力学性能指标见表2。 用碳纤维布加固混凝土构件的施工工序为:构件表 面处理→涂界面胶→构件表面整平及涂整平胶→涂粘结 胶→粘贴碳纤维布加固并使粘结胶充分渗透浸润碳纤维布加固→ 加固层的外保护层处理。 4 施工方法 4.1 基面处理 经检测,混凝土梁柱实际强度为C25,适用此种加 固方案。加固时,应先将构件的粘贴基面打磨平整,清 理干净,而不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘,防止碳纤维 布因粘贴基面剥落或局部刻断破坏而引起加固失败。


4.2 碳纤维布加固的粘贴 粘贴碳纤维布加固:按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布加固, 将配制好的粘结胶均匀涂抹在粘贴部份的混凝土面层 上;铺贴碳纤维布,并用滚筒沿碳纤维布纤维方向多次 滚压,使粘结胶充分浸透纤维中。 对受弯构件可采用将碳纤维布加固在构件的受拉区沿轴 向平直粘贴,为使粘贴于受弯构件上的碳纤维布加固能充分 粘结锚固,可在碳纤维布主纤维方向的断面端部进行附 加锚固处理。当被加固受弯构件为梁时,宜在梁的两端 设置附加等间距封闭缠绕箍。本工程梁柱采用了下述粘 贴方法。 当受剪、受扭构件和梁式受弯构件的两端由于条件 所限不能设置封闭缠绕箍时,受剪、受扭构件可在加固 区段直接采用U 形粘贴加固,梁式受弯构件的两端大于 1m 区段内可分别设置U 形箍。此时应在U 形粘贴的碳 纤维布和U 形箍断口端部用纵向压条进行封闭,用以保 证发挥碳纤维布加固效率。如图1 所示。 图1 碳纤维粘贴方法示意 5 应用中需注意的问题 (1) 加固前。加固构件的各种参数对构件的极限承 载力和破坏特征都有较大影响,因此只有掌握有关数 据,才能作出正确设计。 图2 碳纤维布的抗剪、抗扭加固方式 (2) 对加固构件施工时按设计要求进行卸荷,能消 除或降低构件已产生的裂缝及变形,提高碳纤维布加固利用 效率,使碳纤维布加固尽早参与工作。 (3) 加固构件的碳纤维布加固不宜沿主纤维方向的搭 接,尤其是对受拉构件和受弯构件受拉区的加固。若必 须搭接,其部位应避开构件受力最大区段,搭接长度不 应小于100mm,且搭接端部应平整无翘曲。当采用多条 或多层碳纤维布加固时,各层碳纤维布之间的搭接位置 应相互错开,每层接口位置的净距宜大于200mm。 (4) 为保证受弯构件与加固碳纤维布加固之间有效的粘 结锚固,防止因剥离破坏引起的加固失效,必须做好加 固受弯构件的碳纤维布加固断口端部的锚固,必要时应采取 附加锚固措施,一般采用通长设置的碳纤维布加固压条,压 条应垂直于加固碳纤维布加固的主纤维方向粘贴,其宽度不 宜小于500mm,如图3 所示。 图3 加固碳纤维布断口端部的附加锚固 (5) 对受弯加固,为防止加固量过大可能带来的不 利影响,应限制加固后受弯承载力的提高幅度一般不宜 超过40%,且加固后在荷载短期组合下受拉钢筋的拉应 力不宜超过钢筋抗拉强度的设计值,以控制正常使用阶 段的裂缝开展过大。 (6) 为保证构件加固后的正常使用,避免碳纤维布加固的老化和遭受其他损伤,必须在碳纤维布加固层的外表 面进行密闭防护处理,应采取抹环氧砂浆或涂防火涂料 进行保护。 21 2009 年12 期(总第60 期) 量箱梁横向位移与竖向位移关系,制定顶升过程中限制 横向位移措施。


5 结语 通过模拟计算,采用等比例顶升方案,顶升时箱梁 受力较小,结构更安全。顶升过程中监测了箱梁控制截 面位移、应变等,与计算结果一致,说明顶升方案安全 可控。该方法安全可靠、操作简单、费用低廉,对作为 类似桥梁顶升及支座病害处治参考。并采用结构胶充填 支座脱空、用锲形钢板解决支座偏压病害,达到预期处 治目标。 参考文献: [1] 张劲泉,等.桥梁检测与加固手册.人民交通出版社,2007. [2] 李承昌,等.鞍型支架法更换I 型梁微弯板桥梁支座.山东交通科 技,2002(3). [3] JTG/T J22-2008,公路桥梁加固设计规范. 表3 1# 墩顶升成果表 (7) 气温在5°C 以下,雨天或相对湿度大于95% 时,不可施工。施工时的温度、湿度确认后,选用适当 的底涂树脂。 加固完成后,防止雨淋和受潮,并注意保护表面, 不要让硬物碰伤施工面。为达到设计强度,平均气温 10°C,养护时间二周;平均气温20°C,养护时间一周。 6 结语 粘贴碳纤维步加固技术是一种较新的加固技术,随 之广泛的应用与施工工艺不断进步,其产生比使用旧式 材料更大的经济效益;在混凝土结构的加固中,碳纤维 布主要是分担钢筋的受力,即碳纤维布加固的主要作用是提 高结构构件的抗拉强度,本工程除应用碳纤维布加固梁 柱结构物外,并尝试应用碳纤维布加固砖砌体的技术 (如砖砌体在外界环境影响下产生的裂缝修补,采用碳 纤维布来提高砌体的抗拉力学性能),获得良好效果, 该技术是粘贴碳纤维结构加固技术领域中的新生事物, 在砌体建筑中推广使用必将获得优质的施工质量与巨大 的经济效益。 参考文献: [1] CECS25:90,混凝土结构加固技术规范. [2] JG/T166-2004,纤维片材加固修复结构用粘结树脂. [3] CECS146:2003,碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程. [4] JG/T167-2004,结构加固修复用碳纤维片材. (上接第16 页) 养护工程 22


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