柱子碳纤维加固技术

柱子碳纤维加固
一、钢筋混凝土柱CFRP加固机理分析
1.1、碳纤维CFRP材料
碳纤维CFRP一般是直径为5μm～20μm的连续纤维，基材由树脂和固化剂组成，用树脂（内加固化剂）浸润碳纤维，待树脂固化后便形成了碳纤维增强塑料（简称CFRP）。

其特性：密度小，为普通钢材的1/6；强度高，抗拉强度约为普通钢筋的4～6倍；抗腐蚀性能好，强度不受酸碱腐蚀介质的影响；非磁性，不影响电磁信号的传播；抗疲劳性能优良，疲劳寿命普遍高于钢材；温变系数和混凝土相当；弹性模量和钢材相近；极限延伸率1%.
1.2、钢筋混凝土柱CFRP加固原理
钢筋混凝土柱在承受轴向压力时，构件是由于受到极限值非常小的横向扩张引起的，如能在构件四周创造横向约束，以阻止受压构件的这种横向扩张，从而提高构件抗压承载力和变形能力。

碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增强带之间产生约束作用，（它们之间的相互作用力称为界面约束应力）受横向界面约束应力的作用，塑性区的核心混凝土处于三向应力状态，与单向受力状态相比，混凝土的极限压应变和承载力会提高，在柱弯曲承载力没有明显下降的情况下，并不考虑失稳的影响，加固后钢筋混凝土柱具有较大的延性变形与耗能能力。

1.3、钢筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的应力分布情况
1.3.1、由于CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束后使CFRP形成轴向拉伸应力，而CFRP的抗弯能力极弱（一般不考虑），矩形柱在CFRP包裹约束下其最终极限轴向抗压强度相对圆柱而言大大降低，主要由于侧向约束应力不均匀。

矩形柱边中央侧向约束弱，拐角处侧向应力集中约束较大，柱边只有在发生侧向塑性变形时CFRP对钢筋混凝土柱的横向约束应力才能极速增。

1.3.2、由于CFRP对钢筋混凝土柱的约束为界面约束，只有当混凝土向外横向扩张时（产生塑性变形）CFRP方能对混凝土产生约束应力，因此柱环向外包CFRP在承受荷载时表现出两阶段的受力过程：第一阶段，混凝土轴向压应力较小，横向变形较小，CFRP受力较小；第二阶段，随着荷载的增加，柱混凝土变形增大，CFRP环向应力显著增长，环向约束力迅速增加，直到当CFRP达到其极限拉伸应变时发生断裂。

1.3.3、约束混凝土与无约束混凝土应力—应变关系
二、碳纤维CFRP加固钢筋混凝土柱的技术及施工要点
2.1、适用范围及工况要求
CFRP加固钢筋混凝土柱适用于圆柱或小截面矩形柱（截面边长一般小于800mm），在未失稳状态下能大幅提高钢筋混凝土柱的轴压承载能力。

加固的前提条件是构件的核心混凝土未被破坏，尚具有一定的承载和变形能力。

2.2、CFRP外包钢筋混凝土加固技术
2.3、加固施工要点：
2.3.1、钢筋混凝土柱加固前的卸荷，此项工作往往被忽视，混凝土构件在负荷外包CFRP时，外包CFRP相对于混凝土柱表面存在应变滞后，常发生CFRP尚未被拉断混凝土已被压坏的情况，这种效应使得CFRP的补强效果降低，不能充分发挥CFRP的高强抗拉性能。

2.3.2、矩形柱拐角倒角的半径不得小于20mm，柱侧最好修成外凸面，减轻角部CFRP的集中应力，很多试验表明即使如此CFRP的破坏仍然发生在拐角部位。

2.3.3、混凝土构件表面的修复工作极为重要，其直接影响CFRP对混凝土横向约束效果。

三.加固方案材料的选取：
碳纤维加固混凝土柱方案的选取：
（1）CFRP约束混凝土加固补强法：即采用CFRP布及环氧树脂胶组成的复合材料横向包裹混凝土柱体来提高其竖向承载能力的一种方法。

（2）碳纤维是有机纤维在惰性气体中经高炭化而成的纤维状炭化合物，它具有优异的物理力学性能, 其抗拉强度可以达到3.0GPa－4.0GPa，弹性模量可高达500GPa，密度比铝小，柔韧性极好。

（3）建筑工程加固所用CFRP布是一种PAN基碳纤维织物，它不但具有优异的物理力学性能，还具有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性。

（4）该加固方法施工十分方便，工效很高，可以比较大的提高柱的承载能力，提高混凝土受约束能力；加固完成后，基本上不改变构件的自重及体积,并且结构在以后的使用过程中无需再投入维护费用，使用寿命长。

四．施工工艺流程：
1、混凝土梁表面处理
用手提式砂轮机打磨去除混凝土梁表面上附着的污垢、浮灰和炭化层，清除混凝土两面蜂窝、麻面、夹渣等缺陷。

油垢要用有机溶剂进行脱脂处理，混凝土粉末用压缩空气或高压水冲洗（但粘贴碳纤维前,混凝土基面必须干燥）。

2、底胶涂布
用滚筒或毛刷在混凝土梁表面需粘贴碳纤维布的位置上均匀涂布底胶。

标准涂布量：0.2 Kg/m2 ；应在底胶表面指触干燥时,立即进入下一工序的施工。

3、找平修整
对模框的高低差、混凝土梁表面的缺损部位和气泡，用环氧树脂腻子填充、使表面光滑。

转角处要进行倒角施工（倒角曲率半径R≥20mm）。

气温5℃以下、湿度85%以上、雨天或者有结露可能的情况下不得进行施工。

施工前应该先检查确认施工部位的温度、湿度，选择适当的底涂料。

施工后如果附着有水分或发白现象，可用丙酮擦拭、或用砂纸打磨，去除白化物。

4、拉墨线
待腻子修补材料指触干燥后，根据设计图纸，在混凝土梁表面准确定位碳纤维粘贴部位。

因为底涂料和粘接树脂的可使用时间因气温和混合量而变化，一次的调和量应该是在可使用时间内能使用完的量，不可使用已经超过可使用时间的调和底涂料或粘接树脂。

5、粘贴碳纤维
1）下涂
用手指检查确认底涂料指触干燥（不粘手），用滚筒或橡胶刮刀在碳纤维布的粘贴面上均匀涂布粘接树脂。

标准下涂涂布量：0.8 Kg/m2 （纤维含量200g/m2）
注：按照规定配比称量粘接树脂，用低速电动搅拌机或手工充分搅拌、直至均匀。

2）碳纤维布的粘贴
碳纤维布的裁剪尺寸要包括搭接部分。

用剪刀或切割刀进行裁剪，裁剪线与边成直角。

在涂布粘接树脂后，立即将碳纤维布粘贴在涂布有粘接树脂的面上，用橡胶刮刀、浸渍用滚筒捋压，使下涂料浸渍到纤维中。

在粘贴碳纤维布时，要仔细地对准墨线位置。

如果贴得不好，可重新贴。

3）粘贴方法
4）碳纤维布的浸渍和脱泡（包括上涂）
在粘贴碳纤维布的表面做后道加工。

有纤维浮起处可用橡胶刮刀和浸渍用滚子沿水平方向和垂直方向捋压，排除纤维中含有的空气。

此后，过了20分钟以上的时间后，用目视和指触法检查确认底涂料树脂已浸透到纤维中。

然后用粘接树脂均匀滚涂（这是下涂），再
用橡胶刮刀和浸渍用滚子等工具滚压、刮平。

标准复涂涂布量：0.3 Kg/m2 （纤维含量200g/m2）
5）碳纤维布的搭接方法
①长度方向（纤维方向）
粘贴时碳纤维布的长度不宜过长，按照设计的要求，每条碳布的长度不超过3米，以便于粘贴作业。

搭接长度按照设计的要求不小于10cm。

②宽度方向（与纤维方向垂直的方向）
碳纤维布在横方向上搭接时，如果表面的平整度很差，则布材之间可能产生空隙，原则上应该按照下图所示在横方向上设置搭接头。

6）碳纤维粘贴后的后道加工
碳纤维布粘贴后，在粘接剂硬化之前如果纤维产生鼓起、皱纹、起皱等缺陷，应该立即进行修正（多层粘贴时应对每一层做修正）。

鼓起：在鼓起部位上涂布粘接剂，再用橡胶刀、橡胶镘刀或脱泡滚子等工具捋压，将内部的空气排出去。

皱纹：用橡胶刮刀沿纤维方向捋刮，加以修正。

起皱：纤维起皱会严重影响拉伸强度，所以要用橡胶刮刀加以修正，使起皱部分尽可能展平。

碳纤维布粘贴后的表面是后道施工的底面，有的情况下，需要进行批环氧树脂腻子（初期硬化后）、喷砂（复涂后）等加工。

7）表面涂覆
要求用树脂类进行表面涂覆、喷涂、对抗燃性和耐火有要求时，可用灰浆或不燃烧型板等材料装饰表面。

8）养护
在浸渍粘接树脂初期硬化之前，为了防止雨水和尘土等沾附在碳纤维布表面上，养护期间应该根据需要用塑料薄膜等覆盖。

五、质量验收
每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。

碳纤维布实际粘贴尺寸不应少于设计量，位置偏差不应大于2cm。

检查所有的修补区域，如有孔隙、气泡及脱层等现象，必须用可靠的方法进行修复。

碳纤维布与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维布表面的方法来判断，总有效粘结面积不应少于95%。

当碳纤维布的脱层面积小于100cm2时，可采用针管注胶的方式进行补救。

当碳纤维布的脱层面积大于100cm2时，宜将脱层处的碳纤维布切除，重新搭接粘上等厚的碳纤维布。

六、质量保证措施
1、每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。

2、检查所有的修补区域，如有孔隙、脱层等现象，必须用可靠的方法进行修复。

3、撤除临时固定设备后，应用小锤沿粘贴面轻轻敲击粘结碳纤维，从音响判断是否空鼓。

4、严格控制施工现场的温度和湿度。

施工温度在5℃～35℃范围内，相对湿度不大于80%。

案例展示：
（注：柱子碳纤维加固）。