碳纖維加固技術(shù)在梁板改造工程中的應用分析

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)氧樹脂預浸成為復合增強材料(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)設計圖中，?軸交⑤軸～⑥軸位置設梁L202，規(guī)格200 mm×500 mm，梁面標高3.450 m，梁底標高2.950 m，低于板底標高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的碳纖維布承擔。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，抗拉強度設計值取ff=1 400 MPa，彈性模量設計值取 Ef=2.0×105M Pa，拉應變設計值取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。加固后的復合構(gòu)件承擔的荷載見表1。

表1 復合構(gòu)件荷載 kN/m2

復合構(gòu)件按彈性方法計算。經(jīng)計算，每延米彎矩設計值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)象的部位應予以剔除，對于較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應用聚合物水泥砂漿進行修復。2)裂縫部位如有必要應先進行封閉處理。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。多層粘貼應重復以上步驟，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)混凝土應振搗密實，面層平整，砂漿拌制嚴格按照設計配比，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處理，具體措施應視不同情況而定。3)每一道工序結(jié)束后均應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，應立即返工。4)若出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實現(xiàn)象，應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)抗震修復加固補強工程中得到廣泛的應用。

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