试论碳纤维加固在室内装修的应用

关键词：碳纤维；加固；应用实例 

　　1 前言 

　　在工程材料中，纤维增强材料是一种新型的材料，它有很多特性，像耐腐蚀、耐紫外线、轻质、高强度和非磁性等都是它的特点，由于它们在物理学性能方面有大的提升，从而碳纤维（CFRP）材料成为一种性能优良的复合材料。CFRP刚开始只用于航天、军事和船舶工程领域，随后范围越来越大，现今已经应用在土木工程领域。80年代末期到90年代初这段时间里，在发达国家像欧美和日本等国家加固修复混凝土结构的技术逐渐兴起，目前土木工程领域研究的主要话题就是这项技术。 

　　碳纤维在我国的研制时间较早，它经过40年的研制过程。在这个过程中，因为外国不允许碳纤维生产技术的运行，并且对它进行严格封锁这一举动严重的限制了我们国家碳纤维工业的进一步发展。最后碳纤维的工业能够取得重大突破这完全属于我国科技工作者的功能，这是他们的自强不息、自力更生的结果。 

　　2 CFRP增强材料的特点及力学性能 

　　碳纤维增强塑料是一种复合型的材料，另外它也是碳纤维目前最主要的应用领域。碳纤维是指含碳比较高的新型纤维材料，一般情况下我们都是利用含有碳物质的有机纤维来做制作原料，像腈纶丝、沥青及粘胶纤维都可以作为我们取料的东西，将它们与塑料树脂相结合，一起存放在惰性气体中，碳化以后便会形成新纤维材料。这种材料是新材料之王，也有“黑色黄金”的美称，因为它有高的强度、小的密度、耐腐蚀、导电性强等特点，同时它也是电学、热学以及力学中最好的新型材料。 

　　在对土木工程结构进行补强时，可以利用碳纤维物理力学这一个优越的性能，多多使用碳纤维片材，由日本生产的碳纤维片在我们国家很常用。它的种类非常多，主要包括有单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布这四种。我们知道预浸料碳纤维（CF）被称为是CFRP增强材料的一种，它必须达到强抗拉、弹性模量、延伸率等规定的性能，要想使得它能够长期使用就无比保证它具有高的密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性。 

　　3 CFRP增强材料的应用现状 

　　3.1 国外 

　　在发达国家CFRP的使用较为广泛，如美国、日本，其主要是利用CFRP对混凝土结构进行再次固定可修补。80年代末及90年代初，它已经得到了大量的研究，大学、科研机构、材料生产厂家等都愿意投入资本进行CFRP的进一步研究，CFRP之所以能得到如此多的好评，这完全取决于它优良的特性，非常优异的力学性能、较为简便的工艺作品、好的抗腐蚀性和使用时间长等都是大众的所喜爱的。CFRP能够在日本、韩国、美国及欧洲这些国家和地区有迅速发展主要是日本阪神地震引起的，正是由于这种原因，所以我们便可知道CFRP可以快速的修复并固定混凝土，在建筑业这个领域，新型材料不断兴起，碳纤维已经在外国的一些发达国家里变得非常常见。 

　　CFRP的应用形式主要是以下几种：第一种是把比较短的碳纤维夹杂到混凝土里从而形成一种新型的材料，可以将其应用在一些新建结构中；第二种是将丝状的碳纤维做成棒状，可以在新建结构中替换新混凝土里面的钢筋，在海洋工程结构与一些需要电磁波穿过的工程结构里比较长用；第三种是将碳纤维经过加工而变成一束一束的形状或者像绳子那样的形状，主要可以在需要进行拉索的一些较为大型的土木工程；第四种可以在新建结构中使用，使用时主要是将它与混凝土结合从而制成有用的混凝土板或者是大跨梁等，这样的混凝土板有高的强度，并且质量非常轻便；若将它放在有关公路的一些工程，便能提高公路的质量；通常我们也会使用碳纤维做织物，然后便可进行修补与二次固定。 

　　3.2 国内 

　　由于我们国家比较落后，因此CFRP加固修补混凝土结构这项技术在我国应用比较迟，但是之后又进行了研究，现在已经呈现出上升局势。之前只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心这一个单位愿意对CFRP加固修补混凝土结构技术进行研究，随着之后的发展，慢慢才在一些有名的大学尝试进行研究，主要参与的学校有清华大学、同济大学、天津大学、东南大学、大连理工大学等，并且它们在板、梁、柱等的模型实验、加固施工工艺及加固性能评价这三大方面取得了非常大的成果，在民用建筑、桥梁和隧道还有公路工程已经开始使用，并且发现运行的非常好。纤维增强材料加固混凝土结构规范这项研究慢慢有单位开始研究了，这是值得开心的事情，这个课题现已成为建设部研究的重点，但是它还在起步阶段，需要经历很长的路。 

　　4 CFRP增强材料在室内装修改造中的应用实例一 

　　CFRP增强材料有环保、耐磨的特点，现今被应用在房间装修或改造的也屡见不鲜。当房主不喜欢事先准备好的房子的构造时，便可根据自己的想法设计房子，但是若是拆掉某一个承重墙这是非常危险的，这时只有我们的碳纤维材料能够解决这项难题。 

　　房间装修时，碳材料的使用地点有以下几个：第一个是可以做非承重墙的帘墙板，它是种不易变老并且机械性强的质量较轻的板，通常是在高楼大厦或者海边建筑物中使用。第二个是作为房顶防水的涂层，通常会将它涂在房顶的表面，这样会防止房顶风化和有效地减少房子露水的现象的发生，同时我们的房子也不失美观。第三个是电磁屏蔽板和导电板，一般利用碳纤维较高的导电性能快速的消除一些静电，主要包括来自大气的放电和雷击的静电。第四个是可以用在防止墙外表被腐蚀，可以增强地板的使用时间等。第五个是在开门洞的应用，利用碳纤维布未进一步的固定。下面是碳纤维关于房间内部装修改造的一个例子。 

　　4.1 工程概况 

　　四平市站前住宅楼，建造于90年代初，底部框架剪力墙结构，底部2层框架，上部4层住宅。原设计1―2层为餐厅（活荷载为2.5KN/m），厨房（活荷载为4.0KN/m）设在一层。现计划重新装修开设肯德基连锁店，将厨房移到2层，原1层厨房位置设售餐台。由于功能改变导致荷载增大，原2层局部梁将不能满足设计要求，需要加固。经过方案论证和经济技术可行性比较，决定采用碳纤维复合材料进行加固。 　　42 加固设计 

　　4.2.1 基本假定 

　　碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定：受拉区混凝土的作用忽略不计；梁受弯后，混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定；碳纤维材料采用线弹性应力一应变关系：σcf=E cfxεcf且εcf<0.01。 

　　4.2.2 加固设计 

　　根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECSl46：2003）的规定，采用以概率理论为基础的极限设计法进行计算。考虑到作用在加固结构上的活荷载基本卸除，故不考虑二次受力的影响。取其中一轴梁跨中为例，按原设计计算最大弯矩设计值为463.6kN m，加固设计采取在梁底粘贴300mm宽碳纤维布3层，按规程公式计算得出加固后最大弯矩设计值为524kN m，比原来提高了13%。 

　　4.2.3 构造做法及施工工艺 

　　本次工程主要使用的材料为德国进口的碳纤维布（C200），粘贴用树脂采用国产JGN型建筑结构胶。为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力，在梁端每侧粘贴160mm宽U型箍1道，在主次梁相交处每侧粘贴160mm宽U型箍1道。U型粘贴的粘贴高度宜取构件截面高度。对于U型粘贴形式，宜在上端粘贴纵向碳纤维片材压条。考虑到碳纤维布多层粘贴时受施工现场影响的因素较大，建议受弯构件粘贴碳纤维布的层数不应超过3层。 

　　加固施工的一般工艺流程为卸荷3底处理一涂底胶一找平一粘贴―保护。考虑本工程特殊施工环境因素，加固中应进行卸荷，先将板面粉刷层及板面杂物清除，凿开保护层直至结构层基面，方可进行下一步处理。 

　　4.3 施工效果 

　　本工程从设计到竣工投入使用只有不到两个月的时间，采用碳纤维加固的方式施工，从准备到竣工只用了10天，没有出现任何质量问题，施工效果良好，得到了设计单位、监理单位、业主的好评。 

　　5 CFRP增强材料在室内装修改造中的应用实例二 

　　某建筑主楼为4层钢筋混凝土框架结构（办公室部分为5层砖结构），建筑面积2602 m2，底层为礼堂，二层以上为服装厂厂房，附楼为2层砖混结构（屋顶上面搭建有简易房），建筑面积725m2。需要对这二幢房屋结构进行改建装修，同样委托某建设工程抗震鉴定委员会对这二幢房屋进行全面的检测，并做出技术鉴定和加固方案。 

　　主楼结构是一幢四层局部五层的建筑，附楼结构为一幢三层建筑。这里以主楼为例，阐述鉴定及加固方案。主楼建于1981年，底层及基础采用100号机制标准砖，50号混合砂浆砌筑，楼层采用100号机制八五砖，25号混合砂浆砌筑。办公室部分为砖结构，横墙承重，承重墙体厚370mm，内隔墙厚240mm。原厂房部分上部结构为体型规则的钢筋混凝土框架多层结构，现浇梁、柱均采用标号为200号的混凝土，厂房与办公室相接的部位未设置钢筋混凝土柱，厂房的楼屋面纵向连梁及多孔板均直接搁置在办公室横墙圈梁上。经过对主楼的结构、结构材料强度、相对不均匀沉降趋势和倾斜情况、结构抗震验算等多方检测，并根据建筑方案图，提出了主楼底层大礼堂设置夹层后采取的加固方案。 

　　5.1 框架柱加固 

　　对底层夹层以下轴压比超限的钢筋混凝土柱采用包裹数层碳纤维布或加大柱截面的方法进行加固。对底层夹层以上和二层部分轴压比超限的钢筋混凝土柱采用粘贴碳纤维片材的方法进行加固，先在柱表面粘贴纵向碳纤维布一层，再根据柱轴压比超限情况在外面包裹数层环向碳纤维布。 

　　5.2 屋面梁加固 

　　屋面梁采用在梁底粘贴纵向碳纤维布，在梁端粘贴U形碳纤维布的方法进行加固。 

　　5.3 刷层修复 

　　墙体外立面及预制空心板底粉刷层剥落处，必须将原有粉刷层铲除后重新粉刷，雨棚底部钢筋暴露处重新以水泥砂浆粉刷修复。 

　　5.4 室外楼梯修复 

　　室外钢楼梯必须经过仔细检查，有严重锈蚀破坏处予以拆除并换新的构件，修复后涂刷防锈漆使之与空气水分隔离。 

　　在得出鉴定结果及加固方案后，委托加固公司对其主楼结构按设置夹层的设计方案及处理方案进行碳纤维加固处理后，其结构的抗震性能符合要求，并已投入使用。 

　　6 技术经济效益 

　　碳纤维片的重量轻、强度高，随形性好，能适应各种复杂结构外形的修复补强，对结构重量的影响甚微；碳纤维修复补强工艺施工简便迅速，无需任何夹具、模板和支撑，虽然碳纤维本身的价格高于其他材料，但施工费用大大降低。它免除了钢板补强、混凝土补强等传统方法所需的植筋锚固、装拆夹具、立模、支撑、灌注混凝土、养护、拆模等繁杂的工序和辅助设施，而且占用空间小，即使在高空作业，也只需设置简易工作平台即可。因此，用碳纤维片修复补强混凝土结构的综合造价将低于传统的补强方法，经济效益视具体工程情况而定，越是复杂结构其效益将愈明显。 

　　7 社会效益 

　　由于碳纤维片修复补强的施工简便迅速、施工周期短、占用空间小，使施工对周围的影响降低到最低限度。对受意外灾害，特别是地震灾害引发的房屋等混凝土结构物的震损，用碳纤维片快速修复，使城镇人民的生活尽快恢复正常，则其社会效益和环境效益都将是巨大的。 

　　8 结语 

　　粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到比较广泛的应用，并已产生较大的经济效益，与其它传统加固技术相比，粘接碳纤维加固混凝土技术有施工方便、工效高，而且其轻薄，粘贴后几乎不增加重量和厚度；具有极佳的耐腐蚀性能及耐温性能，且适用面广，无论是结构类型、结构形状有什么千差万别，它都能顺利地解决加固问题；施工质量能保证，即使被加固结构的表面不是非常平整，粘接碳纤维加固也可以保证近100%的粘贴率。以上这些优势使其加固达到高强高效的目的，对于抗震加固等尤其具有重要意义，粘接碳纤维加固混凝土结构的优势非常明显。我国也已经制定了相关的技术标准及规程（即《CECSl46-2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》），为这门技术的应用和健康发展奠定了基础。粘贴碳纤维复合材料新技术是加固钢筋砼结构行之有效的方法，在室内装修结构改造中发挥了巨大的作用，值得推广应用。