关于碳纤维加固混凝土技术研究进展的综述

1.前言

混凝土结构设施的维护,修复和加固已成为当今面临的紧迫课题。用传统材料进行加固往往效率相对较低,要求机械化的程度较高,而且通常出现加固后耐久性差的问题。由于碳纤维布具有高强高效,耐腐蚀、自重轻等优点,用其加固钢筋混凝土结构技术已得到推广应用。

2.碳纤维加固的技术特点

碳纤维有很多种类;其中PAN碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，用于建筑结构补强加固的碳纤维的材料，其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。

与其他加固方法比较，碳纤维加技术具有明显的技术优势。

2.1高强、高效。

纤维材料具有优异物理力学性能,在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。

2.2耐腐蚀性能及耐久性。碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐久性，解决了化学腐蚀问题。

2.3不增加构件的自重及体积。碳纤维布质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，故不减少建筑物的使用空间。

2.4适用面广。碳纤维布是一种柔性材料，可任意裁剪，可广泛应用于各种结构类型、结构形状和结构中的各种部位，且不改变结构形状及不影响外观。同时，对于其他加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁的桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，碳纤维加固技术都能顺利地解决。

2.5便于施工。将碳纤维材料用于加固混凝土结构。在施工现场不需要大型的施工机械，占用施工场地少，而且没有湿作业，因而工效很高。

3.碳纤维片材的材料特性

碳纤维片材（CERP systems)是碳纤维片及碳纤维板的总称。碳纤维加固钢筋混凝土结构所涉及的材料主要有两种，一是碳纤维片材，二是配套粘结材料。

3.1碳纤维片材（CERP）

3.1.1 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料，是以有机纤维一聚（PAN）纤维，粘胶纤维，沥青纤维等原料在不活泼的气体中经2000℃到3000℃碳化，石墨化等高温固相反应制成的具有轻质，高强，高弹性模量，耐腐蚀的高性能无机纤维。它的比重一般为1.70-1.80g/cm3，热膨胀系数接近于零，抗拉强度比钢筋大10倍，弹性能模量比钢筋大1.8-2.6倍，而密度仅为钢筋的1/5。抗腐蚀性能强，不产生电化学腐蚀，且在离子，碳酸和烧碱等到物质中强度降低很少；耐疲劳性好：一般金属的耐疲劳强度为其抗拉强度的40%-50%，而碳纤维可高达70%-80%。

碳纤维片材是采用固化的热固性树脂（通常指环树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。根据纤维排列方向又可将片材分为单向纤维片材和双向纤维片材。

3.1.2目前结构加固、改造与修复技术现状通常可分钢筋混凝土增厚法、体积预加法、片材加固法及隔震、消震法。CERP片材料加固法具有相对密度小，疲劳强度高、耐久性好、耐久性好、耐磨损，施工方便，造价低等特点，且不受施工条件限制基本上不影响原结构的外形。采用FRP抗弯加固混凝土梁的试验表明：在正常的使用荷载下，抗弯刚度提高约17%-99%，抗弯强度提高约28%-97%，在受剪加固试验中，加固的构件受弯承载力有较大幅度的提高，约65%-95%，满足强弯弱剪的抗震要求。

4.碳纤维加固施工工艺

(1)、碳纤维加固施工步骤

混凝土构件表面处理——涂刷底胶——粘贴碳纤维布——涂刷保护胶——养护——梁体其他部分涂装——质量检验

(2)、碳纤维加固施工工艺

1）混凝土构件表面处理

先将混凝土构件表面残缺、破损部分剔凿、清除干净并达到结构密实部位。检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，需进行必要的除锈处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，用高于原构件混凝土强度的环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。

裂缝修补：缝宽小于0.2mm的裂缝，用环氧树脂胶泥进行表面涂抹密闭；大于或等于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。（具体施工见裂纹封闭施工工艺）

将构件表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修整后的段差要平顺。棱角的部位，用磨光机磨成圆角，圆角半径最小不得小于20mm。

清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。施工前应按设计图纸在需加固部位放线、定位。

2）涂刷底胶

按规定的胶配比例称取ZHG-3（浸渍胶）A料和B料，重量比3：1，倒入洁净容器中，用搅拌器拌合均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准，超过可使用时间不得再用。

用滚筒刷均匀地涂刷浸渍胶涂刷于所粘贴的部位，在搭接、拐角部位适当多涂刷些。

浸渍胶固化后，在构件表面有凝结凸起时，要用砂纸磨光，磨光后若露出混凝土基面，应再补涂浸渍胶。

3）粘贴碳纤维布碳纤维布裁切时应预先在裁切位置粘贴宽胶带，在宽胶带正中位置进行裁切，以使裁切后碳纤维片的断头齐整不脱丝。

碳纤维布纵向接头必须搭接250px以上，该部位应多涂粘结树脂；碳纤维布横向不需要搭接。

粘贴碳纤维布时，在碳纤维布和浸渍胶之间不应残留空气形成气泡造成空鼓。为此，可用器具沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，对角隅处应向着角隅滚压，对拱起的部位要向相反的方向滚压，以去除气泡，使浸渍胶均匀地充分渗浸入碳纤维片的碳纤维束中。

空鼓处理方法如下：

注入法，在碳纤维布上打开两个以上的小孔，使用注射器注入浸渍胶，然后进行按压整平。

割刀切入修补法，沿纤维方向切入2～3刀，用橡胶刮板、毛刷沾上适量浸渍胶，填进割开的缝内。

补丁补修法，当贴片完全固化后，无法用割刀切开或注入浸渍胶，或碳纤维片表面出现褶皱或松弛时，应割去不良部分，重新粘贴碳纤维片，且重新粘贴搭接部分宽度不少于250px。

4）养护

粘贴碳纤维布后，需自然养护24小时达到初期固化，并应保证固化期间不受干扰。

在每道工序以后浸渍胶固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：平均气温在 10℃以下时，需要2周；平均气温在 10℃以上20℃以下时，需要1～2周；平均气温高于 20℃时，需要1周。在此期间应防止贴片部分受到硬性冲击。

5）梁体其他部分涂装

a、对修复补强构件有外观要求时，可在上涂环氧树脂固化后的碳纤维片表面涂刷所需色彩和设计要求的涂料。

b、涂装应在树脂固化后进行，并应遵守所用涂料的相关标准和施工规定。

c、修复补强构件需要防火时，可在树脂固化后按业主要求涂刷耐火涂层。

d、对新材料新工艺的涂装，事前要做好充分研究，必要时应进行试验，确认后，方可正式使用

6）质量检验

所有进场材料，包括碳纤维片材和胶结材料，应符合质量标准，并具有产品出厂合格证，其各种性能指标及技术参数均应符合本工程加固补强设计要求，适合现场温度、湿度条件。这是保证工程质量的前提。

各工序的施工质量，由施工员负责指导、监督。每一工序完成后项目部进行自检，确认合格并提请监理检查认可后才能进行下道工序，否则必须返修至合格为止。

各工序的施工质量要求如下：

结构物表面处理，将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净达到结构密实部位；检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，应进行必要的防锈处理。

裂缝必须处理：缝宽 <0.20mm的用环氧树脂胶泥涂抹封闭，缝宽≥0.20mm用环氧树脂灌缝。<0.20mm

对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。混凝土表面的浆楞、模板段差必须打磨平顺；构件纵、横向棱角必须按规定倒角；清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

涂刷底胶时，应涂刷均匀，不得漏涂。粘贴碳纤维布，碳纤维布应按规定裁切；贴布位置按设计要求定位、划线。

碳纤维布粘贴的质量检验标准：

a.浸渍胶浸入碳纤维束良好；

b.碳纤维布粘结密实；

c.片材无滑移、翘起、松脱现象；

d. 顺纤维方向搭接长度不小于250px；

e. 碳纤维布规格、贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数应符合设计规定。

7）注意事项

在气温5℃以下、相对湿度RH>95%、混凝土表面含水率在8%以上，有结露现象而无有效措施时，不得施工。

碳纤维片在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁弯折。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸裁切碳纤维片，每段长度一般以不超过6米为宜要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡（即清除在碳纤维贴片中残留空气形成的气泡）、渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止碳纤维片在保管过程中损坏，碳纤维片的裁切数量应以当天的用量为准。