陳治希

一、碳纖維的概述

碳纖維具有優(yōu)良的品質(zhì)，質(zhì)量輕，有著極強(qiáng)的抗拉拔性能，在與環(huán)氧樹脂協(xié)同工作時(shí)抗疲勞能力強(qiáng)、耐久性能好等特點(diǎn)，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中有著良好性能表現(xiàn)。以混凝土結(jié)構(gòu)為例，在進(jìn)行實(shí)際加固工程時(shí)一般使用高強(qiáng)型或高彈性模量型的復(fù)合碳纖維材料進(jìn)行加固，高強(qiáng)型碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度一般可達(dá)3800 MPa左右，與鋼筋的彈性模量相當(dāng)，但其拉伸強(qiáng)度可達(dá)鋼筋的十倍以上；高彈性模量的碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度為傳統(tǒng)鋼材的600%，其強(qiáng)度超過2400Mpa。

二、加固原理

由于良好的性能表現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型的建筑材料受到各國(guó)工程技術(shù)人員的青睞，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?；炷两Y(jié)構(gòu)的工作機(jī)理非常適用于采用碳纖維材料進(jìn)行加固，其工作機(jī)理如下：

（1）鋼材和混凝土受到應(yīng)力的作用下會(huì)共同發(fā)生形變,形成互相夾持的狀態(tài)。

（2）鋼筋和混凝土之間的相容性可保護(hù)鋼筋，鋼筋遇酸性物質(zhì)就會(huì)生銹，混凝土材料為堿性材料，當(dāng)遇到弱酸性環(huán)境時(shí)，可發(fā)生中和反應(yīng)，間接地保護(hù)了鋼筋材料，為鋼筋材料充當(dāng)“保護(hù)傘”的功能。

（3）在正常的受力機(jī)理情況下鋼筋的抗拉強(qiáng)度和彈性模量等方面的性能都優(yōu)于混凝土。通常情況下兩種材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度的比值一般為：

根據(jù)上列公式計(jì)算得出N=5.56～6.67，即1m2的鋼筋大約等于6m2的混凝土，某些彈性模量較低的加固材料必須滿足最低的使用性能要求。

（4）使用樹脂涂在加固的混凝土結(jié)構(gòu)表面，樹脂可以滲透到混凝土并和碳纖維材料形成一體，在混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力變形時(shí)傳遞剪切力。在碳纖維材料的高強(qiáng)度和彈性模量的優(yōu)秀性能下，利用預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)形變應(yīng)力進(jìn)行抵消，以彌補(bǔ)鋼筋混凝土中抗拉不足的缺點(diǎn)。

（5）碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)比約為1×10-5/℃，比混凝土和鋼筋小得多，換言之，如果外部溫度升至10℃，碳纖維材料就會(huì)產(chǎn)生大約24.675 MPa的溫度應(yīng)力，但還沒有達(dá)到碳纖維極限強(qiáng)度(3400MPa)的1%，所以它的影響很小。

（6）碳纖維復(fù)合材料是由高強(qiáng)度、高彈性模量的單向排列的碳纖維經(jīng)環(huán)氧樹脂滲透浸漬而成，它還是組成碳纖維板的基本材料。將環(huán)氧樹脂粘在混凝土結(jié)構(gòu)受拉表面，樹脂固化后便與原混凝土結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，從而使碳纖維和鋼筋作為互補(bǔ)整體共同承受外力。雖然碳纖維板的質(zhì)量很輕，但它能在混凝土結(jié)構(gòu)中分擔(dān)很大一部分荷載，這就降低了鋼筋的應(yīng)力，從而起到加固混凝土結(jié)構(gòu)的作用。但也不是說碳纖維材料的強(qiáng)度越高越好，因?yàn)楝F(xiàn)有的混凝土強(qiáng)度有限，碳纖維材料強(qiáng)度過高與之不匹配，使碳纖維材料的張力發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，只有在廣泛應(yīng)用碳纖維預(yù)應(yīng)力筋束之后，才能使其充分發(fā)揮自身材料的性能。

（7）碳纖維是由碳原子構(gòu)成的，碳原子具有穩(wěn)定、堅(jiān)硬的特性，對(duì) CFRP材料來說，能承受化學(xué)腐蝕等多種復(fù)雜環(huán)境的影響，并能耐一定的高溫，因而在混凝土結(jié)構(gòu)的加固中其作用不會(huì)產(chǎn)生影響。

（8）碳纖維有著許多優(yōu)秀的特征，但卻很難直接作為增強(qiáng)材料，需要和其它材料進(jìn)行結(jié)合使用，這主要是因?yàn)樘祭w維為脆性材料，其勻質(zhì)性決定了其表面上存在許多裂紋。所以，碳纖維通常和其它聚合物進(jìn)行混合使用，如樹脂等，受益于樹脂材料的特性，樹脂可以均勻的分布在碳纖維上，使碳纖維保持相互獨(dú)立，碳纖維材料在和樹脂進(jìn)行混合并在經(jīng)過高溫拉擠壓處理成形。

（9）碳纖材料與鋼筋具有良好的互補(bǔ)性，當(dāng)它們相互配合時(shí)，可以大大提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。

三、工程概況

某加固地下室工程的主要加固范圍是地下室頂板，加強(qiáng)處理方式：地下室頂板鋼支承提升、板底加筋、板底粘碳纖維板、板底粘鋼板、裂縫修補(bǔ)及加固后表面抹灰等工程，本文主要探討某加固地下室工程中板底粘碳纖維板的施工要點(diǎn)和工藝（見圖1）。

圖1 碳纖維板加固現(xiàn)場(chǎng)圖

四、施工工藝和流程

1.施工流程

清理障礙物→放線、驗(yàn)線→清理粘板混凝土結(jié)構(gòu)面→配制粘鋼膠→粘貼碳纖維板→固定碳纖維板→表面防護(hù)→報(bào)驗(yàn)，圖2中顯示了具體情況。

圖2 碳板加固施工流程

2.施工工藝

（1）位置標(biāo)定：根據(jù)加固設(shè)計(jì)施工圖紙以確定需要加固位置和位置線，位置線必須明確標(biāo)明加固位置，且為便于施工，每側(cè)統(tǒng)一放置線外端放大3厘米。

（2）混凝土表面處理：首先進(jìn)行表面處理，清除表層和浮渣，需要重點(diǎn)注意表面是否存在疏松面層，對(duì)于凹凸的表面需進(jìn)行人工找補(bǔ)，同時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，先用角磨機(jī)將表面打磨，直到裸露出新鮮的混凝土。用壓縮空氣清除混凝土浮塵，如果表面有水漬則需要先進(jìn)行干燥處理，然后再進(jìn)行磨削。

（3）找平處理：如果有不平整的地方需要用找平材料重新補(bǔ)平，直到完全平整為止。

（4）鉆孔處理：根據(jù)放線進(jìn)行鉆孔位置確定，并使用電錘進(jìn)行鉆孔，同時(shí)清理孔位后植入螺栓，螺栓應(yīng)垂直于混凝土表面。

（5）安裝錨具：將碳板兩面刷膠后裝入夾具中，同時(shí)應(yīng)保證錨具的中心應(yīng)和碳板中心一致。

（6）預(yù)應(yīng)力加載：將夾具安裝到對(duì)應(yīng)的固定板內(nèi)，使用千斤頂進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加，通常預(yù)應(yīng)力張拉為25kN，在預(yù)應(yīng)力施加過程中，需要對(duì)加固結(jié)構(gòu)的撓度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常應(yīng)及時(shí)處理。

（7）固定碳板：預(yù)應(yīng)力加載至指定范圍后，鎖緊固定板后卸載千斤頂，并對(duì)碳板表面刷膠后進(jìn)行間隙張拉，待全部張拉完成后鎖緊拉桿，清理碳板上多余的結(jié)構(gòu)膠。

（8）表面防護(hù)：在碳板四周刷入大于5cm厚的粘結(jié)劑用于防護(hù)，對(duì)錨具加裝防護(hù)，對(duì)于鋼制件的錨具，需要進(jìn)行封油處理，同時(shí)對(duì)錨具加裝防護(hù)罩。

（9）碳板加固完成后，及時(shí)進(jìn)行固化養(yǎng)護(hù)。

五、質(zhì)量控制重點(diǎn)分析

（1）粘貼碳纖維板必須符合設(shè)計(jì)要求和加固行業(yè)的施工規(guī)范；

（2）膠層的中心應(yīng)呈拱形，平均厚度不得小于2mm；

（3）要求墻墩與固定端間距＜100mm，與張拉端的末端間距大于200mm；

（4）平行粘貼多條碳纖維板時(shí)，兩條板帶間的間隙大于5mm；

（5）操作人員應(yīng)穿著工作服，戴上防護(hù)面罩；

（6）建筑工地應(yīng)配備各種必要的滅火器，以備救護(hù)之用；

（7）危險(xiǎn)邊緣處需設(shè)置護(hù)身欄和紅色指示燈；

（8）各施工用架嚴(yán)格按照腳手架安全技術(shù)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行搭設(shè)。

六、結(jié)語

本文以混凝土加固工程為研究課題，簡(jiǎn)要地概述了碳纖維板的基本特性，闡述了碳纖維板在混凝土加固工程中的加固原理，從施工流程、工藝、質(zhì)量管理、施工注意事項(xiàng)和現(xiàn)場(chǎng)安全保護(hù)措施幾方面對(duì)預(yù)應(yīng)力碳板在混凝土加固工程中的施工工藝及控制作了重點(diǎn)分析。