試論碳纖維加固在室內(nèi)裝修的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：碳纖維；加固；應(yīng)用實(shí)例 

　　1 前言 

　　在工程材料中，纖維增強(qiáng)材料是一種新型的材料，它有很多特性，像耐腐蝕、耐紫外線、輕質(zhì)、高強(qiáng)度和非磁性等都是它的特點(diǎn)，由于它們?cè)谖锢韺W(xué)性能方面有大的提升，從而碳纖維（CFRP）材料成為一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料。CFRP剛開(kāi)始只用于航天、軍事和船舶工程領(lǐng)域，隨后范圍越來(lái)越大，現(xiàn)今已經(jīng)應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域。80年代末期到90年代初這段時(shí)間里，在發(fā)達(dá)國(guó)家像歐美和日本等國(guó)家加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)逐漸興起，目前土木工程領(lǐng)域研究的主要話題就是這項(xiàng)技術(shù)。 

　　碳纖維在我國(guó)的研制時(shí)間較早，它經(jīng)過(guò)40年的研制過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，因?yàn)橥鈬?guó)不允許碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的運(yùn)行，并且對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格封鎖這一舉動(dòng)嚴(yán)重的限制了我們國(guó)家碳纖維工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。最后碳纖維的工業(yè)能夠取得重大突破這完全屬于我國(guó)科技工作者的功能，這是他們的自強(qiáng)不息、自力更生的結(jié)果。 

　　2 CFRP增強(qiáng)材料的特點(diǎn)及力學(xué)性能 

　　碳纖維增強(qiáng)塑料是一種復(fù)合型的材料，另外它也是碳纖維目前最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維是指含碳比較高的新型纖維材料，一般情況下我們都是利用含有碳物質(zhì)的有機(jī)纖維來(lái)做制作原料，像腈綸絲、瀝青及粘膠纖維都可以作為我們?nèi)×系臇|西，將它們與塑料樹(shù)脂相結(jié)合，一起存放在惰性氣體中，碳化以后便會(huì)形成新纖維材料。這種材料是新材料之王，也有“黑色黃金”的美稱，因?yàn)樗�有高的�?qiáng)度、小的密度、耐腐蝕、導(dǎo)電性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)它也是電學(xué)、熱學(xué)以及力學(xué)中最好的新型材料。 

　　在對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，可以利用碳纖維物理力學(xué)這一個(gè)優(yōu)越的性能，多多使用碳纖維片材，由日本生產(chǎn)的碳纖維片在我們國(guó)家很常用。它的種類非常多，主要包括有單向片、單向預(yù)浸片、單向織布、雙向織布這四種。我們知道預(yù)浸料碳纖維（CF）被稱為是CFRP增強(qiáng)材料的一種，它必須達(dá)到強(qiáng)抗拉、彈性模量、延伸率等規(guī)定的性能，要想使得它能夠長(zhǎng)期使用就無(wú)比保證它具有高的密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性。 

　　3 CFRP增強(qiáng)材料的應(yīng)用現(xiàn)狀 

　　3.1 國(guó)外 

　　在發(fā)達(dá)國(guó)家CFRP的使用較為廣泛，如美國(guó)、日本，其主要是利用CFRP對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次固定可修補(bǔ)。80年代末及90年代初，它已經(jīng)得到了大量的研究，大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、材料生產(chǎn)廠家等都愿意投入資本進(jìn)行CFRP的進(jìn)一步研究，CFRP之所以能得到如此多的好評(píng)，這完全取決于它優(yōu)良的特性，非常優(yōu)異的力學(xué)性能、較為簡(jiǎn)便的工藝作品、好的抗腐蝕性和使用時(shí)間長(zhǎng)等都是大眾的所喜愛(ài)的。CFRP能夠在日本、韓國(guó)、美國(guó)及歐洲這些國(guó)家和地區(qū)有迅速發(fā)展主要是日本阪神地震引起的，正是由于這種原因，所以我們便可知道CFRP可以快速的修復(fù)并固定混凝土，在建筑業(yè)這個(gè)領(lǐng)域，新型材料不斷興起，碳纖維已經(jīng)在外國(guó)的一些發(fā)達(dá)國(guó)家里變得非常常見(jiàn)。 

　　CFRP的應(yīng)用形式主要是以下幾種：第一種是把比較短的碳纖維夾雜到混凝土里從而形成一種新型的材料，可以將其應(yīng)用在一些新建結(jié)構(gòu)中；第二種是將絲狀的碳纖維做成棒狀，可以在新建結(jié)構(gòu)中替換新混凝土里面的鋼筋，在海洋工程結(jié)構(gòu)與一些需要電磁波穿過(guò)的工程結(jié)構(gòu)里比較長(zhǎng)用；第三種是將碳纖維經(jīng)過(guò)加工而變成一束一束的形狀或者像繩子那樣的形狀，主要可以在需要進(jìn)行拉索的一些較為大型的土木工程；第四種可以在新建結(jié)構(gòu)中使用，使用時(shí)主要是將它與混凝土結(jié)合從而制成有用的混凝土板或者是大跨梁等，這樣的混凝土板有高的強(qiáng)度，并且質(zhì)量非常輕便；若將它放在有關(guān)公路的一些工程，便能提高公路的質(zhì)量；通常我們也會(huì)使用碳纖維做織物，然后便可進(jìn)行修補(bǔ)與二次固定。 

　　3.2 國(guó)內(nèi) 

　　由于我們國(guó)家比較落后，因此CFRP加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用比較遲，但是之后又進(jìn)行了研究，現(xiàn)在已經(jīng)呈現(xiàn)出上升局勢(shì)。之前只有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心這一個(gè)單位愿意對(duì)CFRP加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研究，隨著之后的發(fā)展，慢慢才在一些有名的大學(xué)嘗試進(jìn)行研究，主要參與的學(xué)校有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)等，并且它們?cè)诎�、梁、柱等的模型�?shí)驗(yàn)、加固施工工藝及加固性能評(píng)價(jià)這三大方面取得了非常大的成果，在民用建筑、橋梁和隧道還有公路工程已經(jīng)開(kāi)始使用，并且發(fā)現(xiàn)運(yùn)行的非常好。纖維增強(qiáng)材料加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范這項(xiàng)研究慢慢有單位開(kāi)始研究了，這是值得開(kāi)心的事情，這個(gè)課題現(xiàn)已成為建設(shè)部研究的重點(diǎn)，但是它還在起步階段，需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的路。 

　　4 CFRP增強(qiáng)材料在室內(nèi)裝修改造中的應(yīng)用實(shí)例一 

　　CFRP增強(qiáng)材料有環(huán)保、耐磨的特點(diǎn)，現(xiàn)今被應(yīng)用在房間裝修或改造的也屢見(jiàn)不鮮。當(dāng)房主不喜歡事先準(zhǔn)備好的房子的構(gòu)造時(shí)，便可根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)房子，但是若是拆掉某一個(gè)承重墻這是非常危險(xiǎn)的，這時(shí)只有我們的碳纖維材料能夠解決這項(xiàng)難題。 

　　房間裝修時(shí)，碳材料的使用地點(diǎn)有以下幾個(gè)：第一個(gè)是可以做非承重墻的簾墻板，它是種不易變老并且機(jī)械性強(qiáng)的質(zhì)量較輕的板，通常是在高樓大廈或者海邊建筑物中使用。第二個(gè)是作為房頂防水的涂層，通常會(huì)將它涂在房頂?shù)谋砻妫�這樣會(huì)防止房頂風(fēng)化和有效地減少房子露水的現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)我們的房子也不失美觀。第三個(gè)是電磁屏蔽板和導(dǎo)電板，一般利用碳纖維較高的導(dǎo)電性能快速的消除一些靜電，主要包括來(lái)自大氣的放電和雷擊的靜電。第四個(gè)是可以用在防止墻外表被腐蝕，可以增強(qiáng)地板的使用時(shí)間等。第五個(gè)是在開(kāi)門(mén)洞的應(yīng)用，利用碳纖維布未進(jìn)一步的固定。下面是碳纖維關(guān)于房間內(nèi)部裝修改造的一個(gè)例子。 

　　4.1 工程概況 

　　四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)，底部2層框架，上部4層住宅。原設(shè)計(jì)1―2層為餐廳（活荷載為2.5KN/m），廚房（活荷載為4.0KN/m）設(shè)在一層�，F(xiàn)計(jì)劃重新裝修開(kāi)設(shè)肯德基連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設(shè)售餐臺(tái)。由于功能改變導(dǎo)致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要加固。經(jīng)過(guò)方案論證和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性比較，決定采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固。 　　42 加固設(shè)計(jì) 

　　4.2.1 基本假定 

　　碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計(jì)算采用如下基本假定：受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計(jì)；梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應(yīng)變符合平截面假定；碳纖維材料采用線彈性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系：σcf=E cfxεcf且εcf<0.01。 

　　4.2.2 加固設(shè)計(jì) 

　　根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECSl46：2003）的規(guī)定，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限設(shè)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算�？紤]到作用在加固結(jié)構(gòu)上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。取其中一軸梁跨中為例，按原設(shè)計(jì)計(jì)算最大彎矩設(shè)計(jì)值為463.6kN m，加固設(shè)計(jì)采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層，按規(guī)程公式計(jì)算得出加固后最大彎矩設(shè)計(jì)值為524kN m，比原來(lái)提高了13%。 

　　4.2.3 構(gòu)造做法及施工工藝 

　　本次工程主要使用的材料為德國(guó)進(jìn)口的碳纖維布（C200），粘貼用樹(shù)脂采用國(guó)產(chǎn)JGN型建筑結(jié)構(gòu)膠。為了加強(qiáng)梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力，在梁端每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道，在主次梁相交處每側(cè)粘貼160mm寬U型箍1道。U型粘貼的粘貼高度宜取構(gòu)件截面高度。對(duì)于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片材壓條�？紤]到碳纖維布多層粘貼時(shí)受施工現(xiàn)場(chǎng)影響的因素較大，建議受彎構(gòu)件粘貼碳纖維布的層數(shù)不應(yīng)超過(guò)3層。 

　　加固施工的一般工藝流程為卸荷3底處理一涂底膠一找平一粘貼―保護(hù)�？紤]本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應(yīng)進(jìn)行卸荷，先將板面粉刷層及板面雜物清除，鑿開(kāi)保護(hù)層直至結(jié)構(gòu)層基面，方可進(jìn)行下一步處理。 

　　4.3 施工效果 

　　本工程從設(shè)計(jì)到竣工投入使用只有不到兩個(gè)月的時(shí)間，采用碳纖維加固的方式施工，從準(zhǔn)備到竣工只用了10天，沒(méi)有出現(xiàn)任何質(zhì)量問(wèn)題，施工效果良好，得到了設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的好評(píng)。 

　　5 CFRP增強(qiáng)材料在室內(nèi)裝修改造中的應(yīng)用實(shí)例二 

　　某建筑主樓為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（辦公室部分為5層磚結(jié)構(gòu)），建筑面積2602 m2，底層為禮堂，二層以上為服裝廠廠房，附樓為2層磚混結(jié)構(gòu)（屋頂上面搭建有簡(jiǎn)易房），建筑面積725m2。需要對(duì)這二幢房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改建裝修，同樣委托某建設(shè)工程抗震鑒定委員會(huì)對(duì)這二幢房屋進(jìn)行全面的檢測(cè)，并做出技術(shù)鑒定和加固方案。 

　　主樓結(jié)構(gòu)是一幢四層局部五層的建筑，附樓結(jié)構(gòu)為一幢三層建筑。這里以主樓為例，闡述鑒定及加固方案。主樓建于1981年，底層及基礎(chǔ)采用100號(hào)機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)磚，50號(hào)混合砂漿砌筑，樓層采用100號(hào)機(jī)制八五磚，25號(hào)混合砂漿砌筑。辦公室部分為磚結(jié)構(gòu)，橫墻承重，承重墻體厚370mm，內(nèi)隔墻厚240mm。原廠房部分上部結(jié)構(gòu)為體型規(guī)則的鋼筋混凝土框架多層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆梁、柱均采用標(biāo)號(hào)為200號(hào)的混凝土，廠房與辦公室相接的部位未設(shè)置鋼筋混凝土柱，廠房的樓屋面縱向連梁及多孔板均直接擱置在辦公室橫墻圈梁上。經(jīng)過(guò)對(duì)主樓的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度、相對(duì)不均勻沉降趨勢(shì)和傾斜情況、結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算等多方檢測(cè)，并根據(jù)建筑方案圖，提出了主樓底層大禮堂設(shè)置夾層后采取的加固方案。 

　　5.1 框架柱加固 

　　對(duì)底層夾層以下軸壓比超限的鋼筋混凝土柱采用包裹數(shù)層碳纖維布或加大柱截面的方法進(jìn)行加固。對(duì)底層夾層以上和二層部分軸壓比超限的鋼筋混凝土柱采用粘貼碳纖維片材的方法進(jìn)行加固，先在柱表面粘貼縱向碳纖維布一層，再根據(jù)柱軸壓比超限情況在外面包裹數(shù)層環(huán)向碳纖維布。 

　　5.2 屋面梁加固 

　　屋面梁采用在梁底粘貼縱向碳纖維布，在梁端粘貼U形碳纖維布的方法進(jìn)行加固。 

　　5.3 刷層修復(fù) 

　　墻體外立面及預(yù)制空心板底粉刷層剝落處，必須將原有粉刷層鏟除后重新粉刷，雨棚底部鋼筋暴露處重新以水泥砂漿粉刷修復(fù)。 

　　5.4 室外樓梯修復(fù) 

　　室外鋼樓梯必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，有嚴(yán)重銹蝕破壞處予以拆除并換新的構(gòu)件，修復(fù)后涂刷防銹漆使之與空氣水分隔離。 

　　在得出鑒定結(jié)果及加固方案后，委托加固公司對(duì)其主樓結(jié)構(gòu)按設(shè)置夾層的設(shè)計(jì)方案及處理方案進(jìn)行碳纖維加固處理后，其結(jié)構(gòu)的抗震性能符合要求，并已投入使用。 

　　6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 

　　碳纖維片的重量輕、強(qiáng)度高，隨形性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)重量的影響甚微；碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝施工簡(jiǎn)便迅速，無(wú)需任何夾具、模板和支撐，雖然碳纖維本身的價(jià)格高于其他材料，但施工費(fèi)用大大降低。它免除了鋼板補(bǔ)強(qiáng)、混凝土補(bǔ)強(qiáng)等傳統(tǒng)方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養(yǎng)護(hù)、拆模等繁雜的工序和輔助設(shè)施，而且占用空間小，即使在高空作業(yè)，也只需設(shè)置簡(jiǎn)易工作平臺(tái)即可。因此，用碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)將低于傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)方法，經(jīng)濟(jì)效益視具體工程情況而定，越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)其效益將愈明顯。 

　　7 社會(huì)效益 

　　由于碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的施工簡(jiǎn)便迅速、施工周期短、占用空間小，使施工對(duì)周圍的影響降低到最低限度。對(duì)受意外災(zāi)害，特別是地震災(zāi)害引發(fā)的房屋等混凝土結(jié)構(gòu)物的震損，用碳纖維片快速修復(fù)，使城鎮(zhèn)人民的生活盡快恢復(fù)正常，則其社會(huì)效益和環(huán)境效益都將是巨大的。 

　　8 結(jié)語(yǔ) 

　　粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)，已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，與其它傳統(tǒng)加固技術(shù)相比，粘接碳纖維加固混凝土技術(shù)有施工方便、工效高，而且其輕薄，粘貼后幾乎不增加重量和厚度；具有極佳的耐腐蝕性能及耐溫性能，且適用面廣，無(wú)論是結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀有什么千差萬(wàn)別，它都能順利地解決加固問(wèn)題；施工質(zhì)量能保證，即使被加固結(jié)構(gòu)的表面不是非常平整，粘接碳纖維加固也可以保證近100%的粘貼率。以上這些優(yōu)勢(shì)使其加固達(dá)到高強(qiáng)高效的目的，對(duì)于抗震加固等尤其具有重要意義，粘接碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。我國(guó)也已經(jīng)制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程（即《CECSl46-2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》），為這門(mén)技術(shù)的應(yīng)用和健康發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。粘貼碳纖維復(fù)合材料新技術(shù)是加固鋼筋砼結(jié)構(gòu)行之有效的方法，在室內(nèi)裝修結(jié)構(gòu)改造中發(fā)揮了巨大的作用，值得推廣應(yīng)用。