一、鋼筋混凝土柱CFRP加固機(jī)理分析
1.1、碳纖維CFRP材料
碳纖維CFRP一般是直徑為5μm～20μm的連續(xù)纖維，基材由樹脂和固化劑組成，用樹脂(內(nèi)加固化劑)浸潤碳纖維，待樹脂固化后便形成了碳纖維增強(qiáng)塑料(簡稱CFRP)。其特性：密度小，為普通鋼材的1/6;強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度約為普通鋼筋的4～6倍;抗腐蝕性能好，強(qiáng)度不受酸堿腐蝕介質(zhì)的影響;非磁性，不影響電磁信號的傳播;抗疲勞性能優(yōu)良，疲勞壽命普遍高于鋼材;溫變系數(shù)和混凝土相當(dāng);彈性模量和鋼材相近;極限延伸率1%.
1.2、鋼筋混凝土柱CFRP加固原理
鋼筋混凝土柱在承受軸向壓力時，構(gòu)件是由于受到極限值非常小的橫向擴(kuò)張引起的，如能在構(gòu)件四周創(chuàng)造橫向約束，以阻止受壓構(gòu)件的這種橫向擴(kuò)張，從而提高構(gòu)件抗壓承載力和變形能力。
碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱就是在柱混凝土和CFRP增強(qiáng)帶之間產(chǎn)生約束作用，(它們之間的相互作用力稱為界面約束應(yīng)力)受橫向界面約束應(yīng)力的作用，塑性區(qū)的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，與單向受力狀態(tài)相比，混凝土的極限壓應(yīng)變和承載力會提高，在柱彎曲承載力沒有明顯下降的情況下，并不考慮失穩(wěn)的影響，加固后鋼筋混凝土柱具有較大的延性變形與耗能能力。
1.3、鋼筋混凝土柱在CFRP包裹作用下的應(yīng)力分布情況
1.3.1、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束后使CFRP形成軸向拉伸應(yīng)力，而CFRP的抗彎能力極弱(一般不考慮)，矩形柱在CFRP包裹約束下其最終極限軸向抗壓強(qiáng)度相對圓柱而言大大降低，主要由于側(cè)向約束應(yīng)力不均勻。矩形柱邊中央側(cè)向約束弱，拐角處側(cè)向應(yīng)力集中約束較大，柱邊只有在發(fā)生側(cè)向塑性變形時CFRP對鋼筋混凝土柱的橫向約束應(yīng)力才能極速增。
1.3.2、由于CFRP對鋼筋混凝土柱的約束為界面約束，只有當(dāng)混凝土向外橫向擴(kuò)張時(產(chǎn)生塑性變形)CFRP方能對混凝土產(chǎn)生約束應(yīng)力，因此柱環(huán)向外包CFRP在承受荷載時表現(xiàn)出兩階段的受力過程：第一階段，混凝土軸向壓應(yīng)力較小，橫向變形較小，CFRP受力較小;第二階段，隨著荷載的增加，柱混凝土變形增大，CFRP環(huán)向應(yīng)力顯著增長，環(huán)向約束力迅速增加，直到當(dāng)CFRP達(dá)到其極限拉伸應(yīng)變時發(fā)生斷裂。
1.3.3、約束混凝土與無約束混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系
二、碳纖維CFRP加固鋼筋混凝土柱的技術(shù)及施工要點
2.1、適用范圍及工況要求
CFRP加固鋼筋混凝土柱適用于圓柱或小截面矩形柱(截面邊長一般小于800mm)，在未失穩(wěn)狀態(tài)下能大幅提高鋼筋混凝土柱的軸壓承載能力。加固的前提條件是構(gòu)件的核心混凝土未被破壞，尚具有一定的承載和變形能力。
2.2、CFRP外包鋼筋混凝土加固技術(shù)
2.3、加固施工要點：
2.3.1、鋼筋混凝土柱加固前的卸荷，此項工作往往被忽視，混凝土構(gòu)件在負(fù)荷外包CFRP時，
外包CFRP相對于混凝土柱表面存在應(yīng)變滯后，常發(fā)生CFRP尚未被拉斷混凝土已被壓壞的情況，這種效應(yīng)使得CFRP的補(bǔ)強(qiáng)效果降低，不能充分發(fā)揮CFRP的高強(qiáng)抗拉性能。
2.3.2、矩形柱拐角倒角的半徑不得小于20mm，柱側(cè)最好修成外凸面，減輕角部CFRP的集中應(yīng)力，很多試驗表明即使如此CFRP的破壞仍然發(fā)生在拐角部位。
2.3.3、混凝土構(gòu)件表面的修復(fù)工作極為重要，其直接影響CFRP對混凝土橫向約束效果。
三.加固方案材料的選?。?/span>
碳纖維加固混凝土柱方案的選取：
(1)CFRP約束混凝土加固補(bǔ)強(qiáng)法：即采用CFRP布及環(huán)氧樹脂膠組成的復(fù)合材料橫向包裹混凝土柱體來提高其豎向承載能力的一種方法。
(2)碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣體中經(jīng)高炭化而成的纖維狀炭化合物，它具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能,其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到3.0GPa-4.0GPa，彈性模量可高達(dá)500GPa，密度比鋁小，柔韌性極好。
(3)建筑工程加固所用CFRP布是一種PAN基碳纖維織物，它不但具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，還具有良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性。
(4)該加固方法施工十分方便，工效很高，可以比較大的提高柱的承載能力，提高混凝土受約束能力;加固完成后，基本上不改變構(gòu)件的自重及體積,并且結(jié)構(gòu)在以后的使用過程中無需再投入維護(hù)費用，使用壽命長。
四.施工工藝流程：
1、混凝土梁表面處理
用手提式砂輪機(jī)打磨去除混凝土梁表面上附著的污垢、浮灰和炭化層，清除混凝土兩面蜂窩、
麻面、夾渣等缺陷。油垢要用有機(jī)溶劑進(jìn)行脫脂處理，混凝土粉末用壓縮空氣或高壓水沖洗(但粘貼碳纖維前,混凝土基面必須干燥)。
2、底膠涂布
用滾筒或毛刷在混凝土梁表面需粘貼碳纖維布的位置上均勻涂布底膠。
標(biāo)準(zhǔn)涂布量： 0.2 Kg/m2 ;應(yīng)在底膠表面指觸干燥時,立即進(jìn)入下一工序的施工。
3、找平修整
對模框的高低差、混凝土梁表面的缺損部位和氣泡，用環(huán)氧樹脂膩子填充、使表面光滑。轉(zhuǎn)角處要進(jìn)行倒角施工(倒角曲率半徑R≥20mm)。
氣溫5℃以下、濕度85%以上、雨天或者有結(jié)露可能的情況下不得進(jìn)行施工。施工前應(yīng)該先檢查確認(rèn)施工部位的溫度、濕度，選擇適當(dāng)?shù)牡淄苛稀Ｊ┕ず笕绻街兴只虬l(fā)白現(xiàn)象，可用丙酮擦拭、或用砂紙打磨，去除白化物。
4、拉墨線
待膩子修補(bǔ)材料指觸干燥后，根據(jù)設(shè)計圖紙，在混凝土梁表面準(zhǔn)確定位碳纖維粘貼部位。
因為底涂料和粘接樹脂的可使用時間因氣溫和混合量而變化，一次的調(diào)和量應(yīng)該是在可使用時間內(nèi)能使用完的量，不可使用已經(jīng)超過可使用時間的調(diào)和底涂料或粘接樹脂。
5、粘貼碳纖維
1)下涂
用手指檢查確認(rèn)底涂料指觸干燥(不粘手)，用滾筒或橡膠刮刀在碳纖維布的粘貼面上均勻涂布粘接樹脂。
標(biāo)準(zhǔn)下涂涂布量： 0.8Kg/m2 (纖維含量200g/m2)
注：按照規(guī)定配比稱量粘接樹脂，用低速電動攪拌機(jī)或手工充分?jǐn)嚢?、直至均勻?/span>
2)碳纖維布的粘貼
碳纖維布的裁剪尺寸要包括搭接部分。用剪刀或切割刀進(jìn)行裁剪，裁剪線與邊成直角。
在涂布粘接樹脂后，立即將碳纖維布粘貼在涂布有粘接樹脂的面上，用橡膠刮刀、浸漬用滾筒捋壓，使下涂料浸漬到纖維中。在粘貼碳纖維布時，要仔細(xì)地對準(zhǔn)墨線位置。如果貼得不好，可重新貼。
3)粘貼方法
4)碳纖維布的浸漬和脫泡(包括上涂)
在粘貼碳纖維布的表面做后道加工。有纖維浮起處可用橡膠刮刀和浸漬用滾子沿水平方向和垂直方向捋壓，排除纖維中含有的空氣。此后，過了20分鐘以上的時間后，用目視和指觸法檢查確認(rèn)底涂料樹脂已浸透到纖維中。然后用粘接樹脂均勻滾涂(這是下涂)，再用橡膠刮刀和浸漬用滾子等工具滾壓、刮平。
標(biāo)準(zhǔn)復(fù)涂涂布量：0.3Kg/m2 (纖維含量200g/m2)
5)碳纖維布的搭接方法
①長度方向(纖維方向)
粘貼時碳纖維布的長度不宜過長，按照設(shè)計的要求，每條碳布的長度不超過3米，以便于粘貼作業(yè)。搭接長度按照設(shè)計的要求不小于10cm。
?、趯挾确较?與纖維方向垂直的方向)
碳纖維布在橫方向上搭接時，如果表面的平整度很差，則布材之間可能產(chǎn)生空隙，原則上應(yīng)該按照下圖所示在橫方向上設(shè)置搭接頭。
6)碳纖維粘貼后的后道加工
碳纖維布粘貼后，在粘接劑硬化之前如果纖維產(chǎn)生鼓起、皺紋、起皺等缺陷，應(yīng)該立即進(jìn)行修正(多層粘貼時應(yīng)對每一層做修正)。
鼓起： 在鼓起部位上涂布粘接劑，再用橡膠刀、橡膠鏝刀或脫泡滾子等工具捋壓，將內(nèi)部的空氣排出去。
皺紋： 用橡膠刮刀沿纖維方向捋刮，加以修正。
起皺： 纖維起皺會嚴(yán)重影響拉伸強(qiáng)度，所以要用橡膠刮刀加以修正，使起皺部分盡可能展平。
碳纖維布粘貼后的表面是后道施工的底面，有的情況下，需要進(jìn)行批環(huán)氧樹脂膩子(初
期硬化后)、噴砂(復(fù)涂后)等加工。
7)表面涂覆
要求用樹脂類進(jìn)行表面涂覆、噴涂、對抗燃性和耐火有要求時，可用灰漿或不燃燒型板等材料裝飾表面。
8)養(yǎng)護(hù)
在浸漬粘接樹脂初期硬化之前，為了防止雨水和塵土等沾附在碳纖維布表面上，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)該根據(jù)需要用塑料薄膜等覆蓋。
五、質(zhì)量驗收
每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢查，并做好相關(guān)的驗收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問題，應(yīng)立即返工。 碳纖維布實際粘貼尺寸不應(yīng)少于設(shè)計量，位置偏差不應(yīng)大于2cm。檢查所有的修補(bǔ)區(qū)域，如有孔隙、氣泡及脫層等現(xiàn)象，必須用可靠的方法進(jìn)行修復(fù)。碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維布表面的方法來判斷，總有效粘結(jié)面積不應(yīng)少于95%。當(dāng)碳纖維布的脫層面積小于100cm2時，可采用針管注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救。當(dāng)碳纖維布的脫層面積大于100cm2時，宜將脫層處的碳纖維布切除，重新搭接粘上等厚的碳纖維布。
六、質(zhì)量保證措施
1、每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢查，并做好相關(guān)的驗收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問題，
應(yīng)立即返工。
2、檢查所有的修補(bǔ)區(qū)域，如有孔隙、脫層等現(xiàn)象，必須用可靠的方法進(jìn)行修復(fù)。
3、撤除臨時固定設(shè)備后，應(yīng)用小錘沿粘貼面輕輕敲擊粘結(jié)碳纖維，從音響判斷是否空鼓。
4、嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場的溫度和濕度。施工溫度在5℃～35℃范圍內(nèi)，相對濕度不大于80%。