碳纤维复合材料加固技术在混凝土结构加固领域中的发展

目前，由于老化、自然侵蚀、地震灾害等多种原因，大量房屋建筑、桥梁、码头等混凝土结构受到不同程度的损坏，急需加固和修复。

同时，考虑到使用功能的变化，充分利用资源，或解决现有的设计和施工问题，大量现有建筑需要通过加固和加固的方法进行更新，以提高结构构件的抗拉和抗弯能力。 、抗扭、抗震等性能。

在混凝土结构加固方面，常见的措施有钢筋粘结法、体外预应力法、扩大截面法等，但它们都存在一定的不足。

近年来，利用碳纤维复合材料（CFRP）进行构件加固的技术得到越来越多的应用。

该技术采用树脂胶凝材料将碳纤维布或碳纤维板牢固地粘附在混凝土表面，并采用高模量、高强度碳纤维加固混凝土构件，显着提高结构的力学性能。

与传统的加固工艺相比，碳纤维复合材料加固技术在应用中具有更好的优势。

目前，日本、欧美等国家高度重视碳纤维复合材料的研究和应用。 特别是1995年日本阪神大地震以来，碳纤维复合材料加固技术发挥了重要作用。

极大地促进了灾后建筑物和交通设施的快速修复和重建进程，并逐渐在工程加固领域占据重要的应用地位。

近年来，我国多家科研机构和大学对碳纤维复合材料加固修复混凝土结构技术进行了大量的研究和实践，极大地促进了该技术在工业与民用建筑中的广泛应用。 、桥梁等加固工程。 。

基于此，本文对碳纤维复合材料在水利水电工程中的应用进行阐述，以期进一步推动碳纤维复合材料加固技术在混凝土结构加固领域的发展。

碳纤维复合材料及粘合材料

1、碳纤维复合材料

碳纤维复合材料作为典型的工程复合材料，其基体多为合成树脂，增强体为碳纤维。 两者通过特殊工艺复合而成。

将聚丙烯腈（PAN）纤维材料经过高温碳化，得到工程加固领域常用的碳纤维材料。 与普通碳钢相比，碳纤维的抗拉强度提高了十几倍，弹性模量提高了2～3倍左右。

用于加固混凝土构件时，碳纤维应用形式一般包括碳纤维布和碳纤维板两种，其中碳纤维布因其操作灵活性而应用更为广泛。

根据碳纤维丝的排列方向，碳纤维布有单轴和双轴两种类型，适用于修复扭转、剪切或弯曲等不同应力条件下的混凝土构件。

2. 接合材料

在碳纤维复合材料与混凝土构件的相互作用中，粘结材料的性能起着决定性的作用。 为了有效地传递碳纤维布与混凝土之间的剪切力，粘结材料需要具有较高的刚度和强度。

同时，为了避免因混凝土开裂而导致粘结材料脆性破坏，其韧性应满足一定的要求。

另外，粘接材料应具有常温固化的特点，固化收缩率不宜大，固化时间要合理。 同时，粘接材料的粘度和流动性应满足使用要求。

环氧树脂材料具有收缩率低（不超过0.2%）、粘接强度高等特点，已成为混凝土工程加固领域最常用的碳纤维布胶粘剂。

碳纤维布粘合剂分为底胶、找平（修补）胶和浸渍胶。 目前实际应用中的碳纤维布粘合剂一般是与进口碳纤维布配套的树脂胶，成本较高。

目前国内科研单位已开发出专门用于碳纤维布粘贴的配套树脂胶。 性能参数与进口树脂胶基本相同，但成本降低50%以上。

碳纤维复合材料加固技术的功能特点

1、碳纤维复合材料的增强功能

(1)提高弯曲构件的抗弯能力。

在工业厂房、桥梁或民用建筑等领域，采用碳纤维复合材料进行弯曲结构构件加固具有良好的适用性，可以大大增强构件的抗弯能力。

在增强构件重量和外观尺寸不变的情况下，增强构件的承载力可提高2～3倍。

(2)增强剪、扭构件的抗剪能力。 对于剪切和扭转构件，采用双轴纤维加固可以更好地适应剪切和扭矩的应力状态，增强构件的抗剪和扭转能力。

(2)提高楼板的承载能力，延长楼板的使用寿命。 用碳纤维布加固桥面或楼板构件，可以在不增加额外荷载的情况下提高承载能力。

特别是对于楼板开口情况，通过粘贴碳纤维布，可以大大提高开口周围的承载能力，延长楼板的使用寿命。

(3)增强混凝土柱的承载力，提高抗震性能。

对于房屋结构柱或桥墩等构件，采用碳纤维布进行粘结加固，可以有效抑制混凝土构件的横向变形。

提高混凝土构件的承载能力和抗压性能，提高柱的延性，从而避免混凝土构件的脆性破坏，有利于提高抗震性能。

(4)有效增强混凝土构件的抗裂性能。

通过将碳纤维布粘贴到混凝土构件上进行加固，可以有效密封已有裂缝，抑制结构表面裂缝的发展，并防止新裂缝的形成。

同时能促进裂纹形状的变化，产生细小的微裂纹，有利于保持原有的应力状态，不影响构件的正常使用。

2、碳纤维复合材料加固技术特点

(1)强度高、效率高。 碳纤维布的拉伸强度约为普通钢材的10倍，弹性模量是碳钢的2～3倍。 具有高强度、高模量、比重低、伸长率小等特点。

用它来加固混凝土构件，可以充分发挥其优异的力学性能，有效提高构件的抗裂性、延性和承载能力，实现构件的高强高效修复。

(2)施工操作方便，修复速度快。 碳纤维布重量轻、强度高。 可以通过手动操作进行加固。 所需操作空间小，不受外界因素影响。 大多数情况下，可以在不影响现有工作面的情况下实现交叉施工。

碳纤维布加固速度快、周期短。 将布料粘贴在结构的表面上。 待树脂胶固化并达到强度要求后，即可恢复。 施工周期一般只需2至3天。

(3)施工质量易于保证。 碳纤维布与构件表面的紧密程度是衡量碳纤维布加固质量的重要标准。

碳纤维布是一种柔性材料，易于粘附在部件表面，能很好地适应各种表面形状。 密度容易保证。 正常情况下，可达到95%以上的有效粘贴面积，满足碳纤维布粘贴施工质量。 要求。

(4)防水、防腐效果突出。 采用碳纤维布进行加固，可以在构件表面形成环氧树脂胶层，具有优异的防水性能，降低钢筋锈蚀的概率。

碳纤维材料具有良好的耐腐蚀性能，能有效辅助构件抵抗各种酸、碱、盐的侵蚀。

(5)适用范围广。 碳纤维布具有良好的柔韧性，适用于混凝土工程中的各种构件，如梁、柱、板、壳、拱等，并能适应不同的构件形状变化，包括圆形、异形等，都可以实现更好的碳纤维布粘贴效果。

碳纤维复合材料加固应用

1、工程加固实例

近年来，在水利水电等水工混凝土结构的修复加固工程中，碳纤维复合材料越来越受到青睐和应用。 这是通过几个典型案例来解释的。

（1）水利防洪中心为多层现浇钢筋混凝土结构。 新的中央控制室由二楼现有会议室改建而成。 中央控制室需要增加一些设备和仪器。

经验计算表明，结构中局部主、次梁钢筋数量不足，承载力缺乏，存在超载现象。 与此同时，一些主次梁构件出现了开裂问题。

通过调查研究发现，地基不均匀沉降是构件开裂的主要原因。 鉴于此，采用碳纤维布对部分主次梁进行修复。 在缺失的加强梁表面粘贴1~2层碳纤维布，以提高构件的抗弯能力。

对于配筋符合要求但存在裂缝的梁，其侧面和底部均用玻璃纤维布包裹，以抑制裂缝的扩展，提高梁的抗裂能力。 此次修复工程涉及29根横梁，工期仅9天。

（2）某水电站坝顶公路桥原设计最大荷载为8t。 由于附近需要新建一座桥梁，桥体所需的施工材料和设备需要通过桥梁，最大通过荷载达到32t。

经分析，除了加固公路桥梁外，没有更好的解决办法。 为此，采用碳纤维布对桥梁进行整体加固。

梁底全长布置三层L300-C碳纤维，并沿全桥粘贴U型碳纤维箍板，提高桥梁的抗剪、抗弯能力。

加固处理后，进行现场道碴试验。 一辆装满沙子、总重32吨的重型卡车根据正常行驶工况、制动工况等不同条件驶过大桥。 测量梁的位移，发现最大挠度为3mm，满足交通安全要求。

目前，加固公路桥已投入使用并安全运营。

（3）水电厂主体建筑采用框架结构。 屋面梁为现浇混凝土，截面为工字形。 翼缘宽1m，跨中梁高2m，跨度23.65m。

原设计屋面采用预制混凝土板，屋面梁跨中钢筋布置为：侧架采用14Φ32mm钢筋，中架采用19Φ32mm钢筋。

在后期施工过程中，屋面梁出现多处裂缝，个别裂缝宽度达到0.4毫米。

经计算分析认为，就梁的承载能力和裂缝宽度而言，原设计配筋能够满足要求。 但考虑到梁体已有裂缝发展，可能导致梁的承载能力和耐久性下降，仍需对梁采取措施。 加固措施。

本工程修复内容包括在大梁下侧粘贴碳纤维布并密封裂缝。 以梁的弯曲承载能力提高30%为目标，计算确定粘贴碳纤维片的数量。

经分析，需加固5根边梁、12根中梁，共需粘贴碳纤维布1120m2。 实际施工工期约为26天。

本工程除险加固作业全部为高空作业，抢修加固期间水电站正常运行，不间断。 它充分发挥了碳纤维复合材料在加固混凝土构件方面的优势，取得了其他加固工艺无法比拟的综合效益。

2、应用前景

目前，碳纤维复合材料钢筋混凝土结构技术广泛应用于工业厂房、民用建筑、桥梁等领域。 对于水利水电工程中的水工建筑物，如渡槽、隧道、压力管道、闸墩等，对于异形或异形混凝土构件，使用碳纤维复合材料也具有突出的应用优势。

水工建筑物的修复面多为曲面，使用环境大多在水中，防水、防腐要求较高。 碳纤维复合材料的高强度、耐腐蚀、耐水性非常适合这一要求。 以上申请要求。

同时，碳纤维复合材料的施工周期短，对水利水电工程的正常运行影响较小，且不受构件形状的限制。

(1)埋在坝内的管道。 作为钢筋混凝土结构的一种，埋在水坝中的管道经常暴露在水中。 当管壁因外界因素的影响而出现裂缝时，钢筋很容易被腐蚀，导致管道的承载能力下降。

采用混凝土修复方法时，工艺较为复杂，且存在管道过水断面减小、修复时间长、成本高等缺点。 钢板粘接法或钢衬法也面临着防水、防腐等问题。

采用碳纤维布加固时，不仅能保证修复强度和可靠的质量，还能解决防水、防腐等问题。

(2)打开水压管。 在抽水蓄能电站、泵站等工程中，大部分输水压力管道长期处于露天，运行过程中容易出现混凝土碳化、钢筋锈蚀等病害。

使用碳纤维布进行加固，不仅可以提高管道的承载能力，而且可以密封裂缝，有效避免混凝土碳化。

(3)隧道。 交通隧道、泄洪隧道等大多是水利工程中的永久性建筑物。 隧道混凝土衬砌会受到多种因素的影响而产生裂缝。 采用碳纤维布进行周向加固，不仅可以提高混凝土的抗裂性能，而且可以抑制已有的裂缝。 裂纹的发展。

（4）渡槽。 渡槽本体结构多采用薄壁钢筋混凝土形式设计。 渡槽本体开裂会导致严重渗漏水，对结构的安全运行造成很大影响。

采用碳纤维布修复粘贴罐体不仅不影响渡槽截面尺寸，而且可以更好地覆盖U型渡槽结构，有利于保证加固质量。

(5)液压钢闸门。 碳纤维布一般用于加固混凝土结构，但也适用于钢结构。

钢闸门主梁、面板的使用环境多为水。 发生腐蚀后，钢板厚度会变薄，导致部件的承载能力下降，使用寿命缩短。

传统上多采用钢板焊接或粘贴，但很难应用于弧形闸门。

钢闸门采用碳纤维材料加固，不影响闸门重量，对弧形构件有良好的粘附效果。 还可以根除腐蚀问题，节省后续腐蚀处理成本。 是一种有效的钢闸门加固措施。

结论

对于钢结构、钢筋混凝土结构等工程的加固，与传统的加固方案相比，碳纤维复合材料加固技术具有更大的应用优势，如力学性能优良、耐腐蚀、防水性好、操作方便、修复速度快等。 速度快、质量可靠等。

特别是对于水利水电等水工建筑，考虑到结构构件的防水防腐要求及其不规则的表面形状，在加固时采用碳纤维复合材料将更具优势。

可见，在水利水电建筑物的修复加固工程中，碳纤维复合材料具有重要的应用价值和广阔的发展前景。