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预应力加固技术与碳纤维复合材料的性能与介绍

预应力加固结构的技术是自20世纪末开始研究的一项新型补强技术，在传统粘贴加固技术上取得了重大突破，它能充分利用碳纤维复合材料的高抗拉强度，避免碳纤维过早剥离的现象，有效地提高结构的强度与刚度，达到减小结构原有裂缝宽度和限制裂缝的形成与发展的效果，显著提高结构的工作性能。其原理与粘贴钢板加固相似，均是在结构的受拉侧粘贴抗拉材料，以起到与结构共同受力，增强配筋的作用。2、环氧树脂特性环氧树脂固化后也具有良好的物理、化学性能，环氧树脂介点性能良好，制品稳定性好，变定收缩率小，柔韧性较好，硬度高，对碱及大部分溶剂稳定，而且使用环氧树脂可以加强两种材料之间的粘结强度。

预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的方法，特点是通过预应力手段强迫后加部分一拉杆或撑杆受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全消除，因此后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承载能力可显著提高。与此同时，碳纤维布加固在工程中已经有了很多的应用，卡本碳纤维布在上海证券所加固工程以及清华附属中学等加固改造工程中得到了大范围使用。

1、预应力加固碳纤维复合材料

预应力碳纤维板弹性模量低而拉伸强度高，充分发挥需要1.5%以上的拉伸变形，而通常构件的变形限制所允许的表面应变远远小于这一变形，当加固钢筋混凝土结构时这一缺陷更加明显，钢筋的屈服变形仅为0.18%，即使在不考虑钢筋初始变形的条件下钢筋屈服时碳纤维所发挥的强度也不到12%，因此采用传统粘贴方式进行碳纤维加固时，碳纤维的高强度性能仅能被利用到很少的一部分，大部分的材料强度在结构的正常使用极限状态内都无法正常发挥，预应力加固技术可使碳纤维板在承担结构传递的荷载应力之前就已经处于较高的应力水平，预先发挥了一定的强度，从而实现了其高强性能的充分利用。碳纤维加固预应力碳纤维板即碳纤维加固补强单向板材，采用碳纤维原料与良好基本树脂，碳纤维板材具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能，预应力碳纤维板在前者已有特性上提高了结构构件的开裂荷载、屈服荷载。改善使用荷载下的性能。答：按照《混凝土结构设计规范》，在截面和受压钢筋一定的情况下，随着增加受拉钢筋，构件受压区高度不断增加，但不允许超过ξbh0（ξb：所相对界限受压区高度）。

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碳纤维补强加固施工质量检查和验收(1) 施工开始前，应确认碳纤维片材和胶粘剂、底层树脂、找平材料的产品合格证、质量检验报告，各项性能应满足验收规范要求。

(2)材料性能抽样检验

①碳纤维片材：当工程使用的碳纤维数量大于1000m2时，每1000m2用量提供一次料质检（包括抗拉强度和弹性模量）报告，检验数量不少于3组（每组试样数量为5个）。工程使用的碳纤维片材材料数量少于1000m2时，可引用本年度内其他项目使用同批产品时抽检的质检报告，若无此报告，也应抽检一组。其检验结果应符合验收规范的要求。除此之外，芳纶纤维板优异的热稳定性也是使其优于纤维加固方式的重要因素之一。

胶粘剂：当工程的胶粘剂用量在1t以下时，应作一组试样进行正拉粘结强度检验；用量在1t以上时，应每吨（不足1t，按1t计）增加1组试验；碳纤维提供了碳纤维双向布所需要的高强度，棉线使碳纤维纱线固定不脱落，编织成安正的碳纤维双向布，提高稳定性。每组试样数量应不少于5个。受检的胶粘剂应由独试验室人员在不少于两个包装单位中随机抽取，经混和后用于制作试样，其试验结果应符合验收规范的要求。

（4）粘结质量不符合要求需割除修补时，应沿空鼓边沿将空鼓部分的碳纤维割除，以每边向外缘扩展100mm大小之同样碳纤维材料，用同样粘剂，补贴在原处，其施工步骤及做法应按要求进行。

(5) 正拉粘结强度达不到要求时，应将抽样检验所代表的部位的碳纤维复合材，全部剥去重做。

梁结构加固方法优缺点

增大截面加固法是通过增加原梁的受力钢筋，同时在外侧新浇筑混凝土以增大梁截面。

优点：是对增大梁的轻度和刚度稳定性是效果明显的和有保障的，同时可以根据受力特点个加固目的灵活设计为单侧、双侧或三面包套，这为一些位置难以施工的梁提供了灵活性的处理方式，规范没有同其他加固方法一样限制只能提高40%的强度，对承载力相差较大的情况特别适用，该法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，正基于这些优点，此方法为我们大部分结构设计同行的选。碳纤维布加固混凝土柱：采用碳纤维布对混凝土进行加固，其原理是利用了碳纤维的高抗拉强度和对混凝土的约束作用，使得混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土柱的极限承载力和压缩能力。

缺点：设计到施工工艺相对其他加固方法较多，现场湿作业大，周期长，造价相对较大，对现场生产和生活有一定影响。新、旧混凝土结合、新旧纵筋、箍筋的焊接等节点处理比较繁琐，完成质量跟施工队自身素质影响较大，增加了结构本身的自重和截面大小，也有可能改变了结构本身的刚度分配，造成相邻其他构件的连锁加固。（三）碳纤维加固补强的施工工艺1、根据设计确定粘贴碳纤维的范围进行基底处理(1)将砼构件表面的残缺、破损及碳化层部分清除干净，达到结构密实部位。

梁粘贴纤维复合材加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对原梁进行加固处理

优点：纤维复合材的抗拉强度高，是同等截面钢材的7-10倍；重量轻、密度只有普通钢材的1/4；碳纤维复合材加固的耐久性好，可阻抗化学腐蚀和恶劣环境、气候变化的坏；碳纤维加固的施工方便快捷、省力节时、施工质量易于保证；此外碳纤维还具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳、耐蠕变性、导电性、导热性、小比重和热膨胀系数小的优良性能。加固后对原结构外观和原有净空无显著影响，维护费用低。

缺点：完成质量在很大程度上依赖碳纤维布和专用结构胶的选取，而现在市场上纤维材料和结构胶质量参差不齐，价格相差比较大，这样也就有些自身要求不严格的施工单位没有严格的按照设计要求选择材料，而材料是决定此加固方法效果的关键。还有就是本身方法的缺陷，两种不同材料的共同工作问题，规范虽然作了滞后效应的考虑，但实际当中加上施工的误差，材料本身的差异，理论跟现实是有较大出入的，且加固规范要求此法在加固时不能超过原构件承载力的40%，另外现场施工时还要注意防火问题。3、尺寸尺寸：劣质的碳纤维布尺寸偏差较大，优质的碳纤维布长度偏差不超过1。

碳纤维加固工程常见问题防止方法

1、碳纤维布或碳纤维胶质量达不到设计要求的防治

（1）施工过程中为确保碳纤维布及碳纤维胶质量达到设计和规范的要求，在施工前应安排***技术人员数字设计图纸及相关加固施工规范，并根据图纸设计要求提出碳纤维布及建筑结构胶的材料计划，材料计划经技术负责人审核后材料人员采购，采购时材料人员必须严格按照图纸设计的规格、型号，并选择技术成熟、信誉好且随产品提供质量保证资料的厂家进行采购。碳纤维布厂家值出，碳纤维布及建筑结构胶在使用前应选择有资质的实验室取样复试，当其质量满足设计及规范要求时方可使用。好的碳纤维丝束比较黑亮，用火烧一下，不会卷曲，会像细铁丝一样发红，用手摸平滑，柔光，丝束均匀，顺直、布面平整，导电性能好。

（2）在施工过程中应采取保护措施，严格按照碳纤维布及碳纤维胶的使用说明保护其不受污染或***，如遇到不合格或遭到***的碳纤维布和碳纤维胶，应及时选择合格的材料进行更换。

2、建筑结构胶使用方法不正确或粘贴方法不符合规范要求的防治

（1）技术交底，在施工前现场技术人员应根据设计图纸要求、施工规范要求及上述材料产品使用说明针对建筑结构胶的使用方法及碳纤维布的粘贴方法编制技术交底，对施工人员进行现场技术交底，使每个参与施工的人员熟悉掌握建筑结构胶的使用方法及碳纤维布粘贴施工方法。碳纤维加固胶一些重要的操作要点：（1）施工环境通风干燥必不可少，粘贴面洁净是***基本的操作要求、打磨要粗糙彻底，油污的地方要用清水清洗干净。

（2）样板先，在大面积粘贴施工前，由技术人员指导，全体施工人员参加，选择一个展厅面积较小的构件进行现场粘贴试验，待试验结构合格且全体施工人员掌握施工方法后，再进行大面积的粘贴施工。