碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构研究

碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构研究

 王福余 刘海亮 关冬雪 高嘉徽

吉林富博纤维研究院有限公司 吉林 132000

摘要：碳纤维的优点诸多，例如质量轻等，利用粘结剂和砼结合后，可提升其抗拉强度。基于此，文章详细分析了碳纤维复合材料在钢筋混凝土结构加固修复中的应用，以供参考。

关键词：碳纤维复合材料；钢筋混凝土结构；加固修复施工工艺

前言：在土木工程领域中，应用最早、最广泛、应用量最大的一种新型材料要属碳纤维复合材料(CFRP)。CFRP在加固钢筋砼方面的优势非常明显，其主要优势在于：强度高；结构自重不增加、体积不增加；施工简单方便、无需大型机具；施工效率相对较高、施工时间相对较短；适应性强；耐腐蚀等等。所以，在土木工程中，CFRP的应用十分广泛。

1碳纤维复合材料性能

在人们日常生活中，CFRP的应用十分广泛，其中碳纤维、陶瓷纤维等最广泛，在各个行业都能见到CFRP的应用。相较于普通的纤维材料，CFRP的密度相对较低，所以在相同体积的情况下，使用CFRP模型通常质量更轻，在应用环节、生产环节以及运输环节中的优势都比较明显。与此同时，CFRP还具有耐腐蚀、耐高温等特征。因为CFRP具有耐腐蚀特征，所以在化工生产环节中得到了广泛运用。然而，CFRP也具有一定的劣势，主要的劣势在于抗氧化能力弱、自身刚度相对较低，如果受到外力则极易产生折断情况。所以，在使用CFRP的过程中，通常需要将CFRP与金属、水泥或树脂等材料进行结合，构成全新的材料，进而对CFRP自身所有的缺陷进行有效弥补。当前，伴随着CFRP领域研究开发技术的不断成熟，CFRP已在中国多个生产制备领域中得到广泛的应用，与此同时将CFRP自身的优点全面呈现出来。

2碳纤维复合材料施工工艺

2.1基底处理

应将砼表面产生劣化的部位剔除，例如蜂窝部位、腐蚀部位等，针对面积比较大的劣质层，在剔除后需使用聚合物水泥砂浆实施修复；如有必要，应对裂缝部位实施封闭处理；使用砼角磨机工具、砂轮工具等，剔除砼表面的油污杂质、浮浆杂质，构件基面的砼需进行打磨平整，特别是要磨平砼表面凸出的部位，转角粘贴处需进行倒角处理，除此之外还需将其打磨成圆弧状；使用吹风机清理砼表面，并保持砼表面干燥。

2.2涂底胶

依据适当比例在容器中先后放置主剂和固化剂，使用搅拌器进行均匀搅拌，依据现场具体气温来选择用量，并对使用时间进行严格控制；使用毛刷或滚筒刷将胶均匀涂抹在砼构件表面，厚度不宜大于0.4mm，同时不得有气泡、流淌或漏刷，待胶固化之后再开展下一道工序。

2.3使用整平胶找平

需使用刮刀嵌刮平胶料，来修补填平砼表面凹陷部位，填补模板接头等出现高度差的部位，尽可能降低高差；需使用整平胶料将转角修补为光滑的圆弧，半径大于20mm；待整平胶料固化以后，才能开展下一道工序。

2.4粘贴碳纤维布

依据设计要求的尺寸对碳纤维布进行裁剪；对粘贴胶料进行配置和搅拌，之后使用滚筒刷对粘贴部位进行均匀涂抹，搭接拐角部位应多涂一些；在碳纤维布表明，使用专门制的光滑滚子顺着同一方向对胶料进行反复滚压，渗出碳纤维布外表面，将气泡去除，让碳纤维布完全渗入胶料。针对以上步骤，多层粘贴应反复进行，让纤维表面干燥为止，才能开展下一层碳纤维布的粘贴；将粘贴胶料均匀涂抹在最外一层碳纤维布的外表面，涂抹一层即可。

2.5表面处理

如有需要必须进行表面处理，可将石英均匀地撒在表面粘贴胶料未干的部位，待胶料全部干透，依据需要作粉刷或进行其他基面处理；如果在室外，需开展防腐工作，待胶料全部干透以后再依据需要开展防腐工作。

2.6配置胶粘剂

依据不同配合比，将材料进行准确称量，对底涂胶料、粘结胶料以及整平胶料进行分别配置。先融合稀释剂和聚合物主料，再进行均匀搅拌，然后继续添加填料再进行均匀搅拌，最后填入固化剂，全面搅拌之后才可以使用；对胶料进行配置应注意的事项有：底涂胶料，配置量在1-2kg左右/次；整平胶料，配置量在0.5-1kg左右/次；粘结胶料，配置量在1-2kg左右/次；全部胶料需要在60分钟之内全部使用完。

3碳纤维复合材料研究应用进展

3.1抗弯加固

抗弯加固是CFRP加固砼梁的应用和研究的主要成果。诸多研究结果证明，CFRP加固砼梁的过程中，其界面应变满足平截面假定，其应力可依据钢筋砼正截面应力计算方法开展计算工作。Ritchie等人利用诸多CFRP加固砼梁试验，对CFRP加固机理进行研究，对梁的承载力和破坏形态进行研究。Nanni等人全面而深入地研究了CFRP加固砼梁的抗弯性能及参数，构建了外贴FRP加固钢筋砼梁分析模型，得出关键公式及结论。Hamid等，对有限元模型数值模型进行了构建，探索研究了加固梁的计算机仿真分析。

3.2抗剪加固

在构件剪跨区粘贴CFRP，即抗剪加固，与箍筋对裂缝的约束作用相似，进而将梁的抗剪承载力提升。CFRP加固砼结构产生剪切破坏的干扰因素比较多，主要是CFRP与砼之间粘结强度、粘贴方法等等。AmirM．Malek等人，在线弹性材料力学行为的基础上，推出了剪切破坏模型，分析出了碳纤维材料各种荷载工况下的极限载荷理论公式以及屈服载荷理论公式，除此之外进行了有限元分析，对理论公式的正确性进行验证。ThanasisC．Triantafillou，对CFRP加固梁的抗剪进行了深入研究，将加固梁在极限情况下的剪切破坏模型，与此同时开展了抗剪实验，实验结果和理论计算结果相一致。

3.3碳纤维复合材料与砼界面粘结性能

CFRP加固砼构件的强度、破坏形态及刚度主要与CFRP和砼界面的粘结性息息相关。诸多实验证明，砼强度决定界面粘结强度，与此同时粘结强度受外贴CFRP的宽度和砼构件的宽度比值干扰相对较大；外贴CFRP的粘贴长度大于其有效长度之后，梁的承载力将不会再提升。Granju对砼构件粘结CFRP进行研究后，新旧材料质检出现了层间垂直应力价值。H．N．Garden及L．C．Hollawway，研究了不同梁跨高比实验，得出CFRP板端锚固会破坏剥离CFRP板。KuniedaMinoru等人对多层片粘结加固效果进行了测试，与此同时分析了尺寸因素，发现在大结构中，尺寸因素是对粘结特性造成影响的直接因素。

3.4抗震性能

CFRP加固砼柱的抗震性能也得到了各界的重视。CFRP除了与砼一同承受荷载之外，还能预防主筋过早压屈以及增强对砼核心的限制，能预防砼表面剥离。经CFRP加固之后的钢筋砼短柱具有良好的延性，与此同时还具有良好的滞回耗能能力。粘贴CFRP加固之后，高会明显改善强度砼柱滞回性，滞回环变得饱满，伴随着极限水平位移的不断增大，将会逐渐提升抗震耗能。

3.5抗疲劳性能

事实上，很多砼结构，不但具有承受静荷载作用，而且还具有承受不同频率的交变荷载作用，其疲劳破坏影响越来越严峻。现阶段，有关CFRP加固砼结构的疲劳性能分析少之甚少，我国武汉理工大学利用CFRP加固砼梁的疲劳性能试验可以看出：外贴CFRP加固以后，梁的疲劳寿命可以提升45%-60%，疲劳变形降低至25%-35%，进而在一定程度上将梁的疲劳抗裂性提升。陈永秀，深入研究分析了CFRP加固梁的疲劳荷载试验，用CFRP加固钢筋砼梁正截面有非常好的效果，能将梁的耐疲劳性提升。

结束语：

因为CFRP修复、加固砼结构的优势独特，例如施工简单方便、效率高，施工工期较短，同时能高效保障质量，对建筑物的正常应用及生产影响相对较小等等。CFRP加固修复砼结构的技术在水工、房屋等建筑物领域中得到了非常广泛的应用，应用效果非常显著。

参考文献：

[1]邹今航,叶斌,陈永贵.湿热环境下碳纤维增强复合材料加固钢筋混凝土梁的耐久性能试验[J].科学技术与工程,2020,20(33):13839-13846.

[2]王玉田,张维,姜福香.海水环境下碳纤维增强复合材料加固预损伤钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J].工业建筑,2013,43(2):99-103.

[3]贺舰.碳纤维复合材料在钢筋混凝土公路桥翻修中的应用[J].内蒙古公路与运输,2014(6):41-43.

[4]刘玲,张佰真铭.钢丝绳与碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪性能[J].世界地震工程,2015,31(3):101-106.

[5]蒋兆栋.碳纤维加固钢筋混凝土梁的工程应用[J].四川建材,2014,40(6):38-39,42.

[6]王斌,梁云达.碳纤维抗弯加固钢筋混凝土梁试验研究[J].建筑工程技术与设计,2017(5):883-884,891.