碳纤维加固技术 咨询：186 7023 8925刘工

 

 随着社会的快速发展，在建筑业中有越来越多建筑结构需要提高承载力及延长寿命，目前一种比较新型的结构加固技术，利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，采用碳纤维布加固的优点在于以下几点：1、碳纤维具有强度高，自重轻的优点，如高强度Ⅰ级单向织布，抗拉强度标准值≥3400MPa，是普通钢材的10倍，单位面积质量≤300g/?，密度只有普通钢材的1/4。2、施工方便快捷，适用范围较广，施工工期较短，自重轻基本不增加结构自重及截面尺寸，便于裁剪，柔性较好，适合各种形状。3、易于操作，经济效益较高。

　　我国碳纤维加固的应用实践先于理论，相关的技术不十分成熟，当前只有GB50367-2006《混凝土结构加固设计规范》、CECS146：2003《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》推荐给工程设计、施工、检测、使用单位采用。为确保碳纤维布加固结构技术应用的工程质量，结合工程加固实际状况来介绍碳纤维布加固应用及施工控制技术。

　　1、工程概况及方案的选择设计

　　某公建综合大楼为20层框剪结构，框架梁柱采用HRB400级钢筋，由于四层的使用功能的改变，导致荷载增大使四层的局部梁将不能满足设计要求而需要加固。根据实际情况，设计了四种方案：○1、采用钢筋混凝土将梁截面加高，但施工复杂进度较慢，且减少了空间尺寸。○2、采用预应力加固梁截面，由于空间限制，所用的施工设备无法完成，且不经济。○3、采用贴粘钢板或碳纤维加固，二者施工都方便易操作，施工工期短，但碳纤维抗拉强度比钢板高很多且耐腐蚀性好。经过方案论证和经济技术可行性比较，最终采用梁下碳纤维材料进行加固，梁的负弯矩处采用贴粘钢板加固。

　　梁的跨度为12m，b×h=400×750，HRB400级钢筋，梁底受拉钢筋面积ASo=2122mm2，，,受压A'So=982?，混凝土强度等级为C35，梁底最大正弯矩为M=670KN.m，梁的抗剪能力满足设计要求，由于新楼还没有投入使用，上面无活荷载。

　　采用《混凝土结构设计规范》GB50367-2006第9.2.3条进行正截面抗弯加固计算：

　　M≤a1fcobx(h-x/2)+f 'yoA'so(h-a')-fyoAso(h-ho)

　　670×106≤1.0×16.7×400x(750-x/2)+360×982(750-35)-360×2122×(750-715)

　　所以x2-1500x+13295.3=0 解得 x=94.6? ≥2a'

　　因新建大楼无活荷载，不考虑二次受力影响，取Σfo=0

　　Φf=(0.8Σwh/x-Σw-Σfo)/Σf=（0.8×0.0033×750/94.6-0.0033-0)/0.01=1.76

　　当φf＞1.0时，取φf＝1.0

　　又有规范GB20367-2006第9.2.3-2式得：

　　α1fcobx=fyoAso+φfffAfe-f'yoA'so

　　1×16.7×400×94.6=360×2122+1.0×2300Afe-360×982

　　Afe=96.3?2

　　预估计采用0.167?规格的碳纤维布，则应粘贴的碳纤维布，宽度为B=96.3/0.167=576.6?＞400?

　　取二层粘贴纤维布，根据规范GB20367-2006第 9.2.4-1、9.2.4-2有 Af=Afe/km

　　Km=（1.16-nfEftf）/308000=（1.16-2×2.3×105×0.167）/308000=0.91

　　因km≤0.9 取km=0.9Af=96.3/0.9=107?2

　　实际宽度为Bcf=107/2×0.167=320?

　　因此选用高强度Ⅰ级碳纤维布厚度0.167?2层，宽350?规格的碳纤维布即可满足要求。

　　构造要求：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250?宽U型粘贴的粘贴高度应至板底面，并在上端粘贴纵向碳纤维布压条，宽度为100?。

　　2、碳纤维布及加固用胶粘剂的控制

　　为了能保证结构加固工程的安全可靠性，首先确保所使用的碳纤维布、胶粘剂质量的可靠性。按照设计要求，选用碳纤维布和胶粘剂。进场时应提供国家质量监督机构提出的型式检验报告。根据施工单位与监理单位共同确认的抽样方案，进行现场见证取样，并进行送检。取样时应对外观质量进行检查，主要项目有：

　　①纤维排列均匀，不能有皱褶，小束应直顺，不得有零乱歪斜现象。

　　②尺寸偏差长度不准出现负偏差，宽度允许偏差在±0.5%。

　　③不得有断经缺纬脱纬现象。

　　根据设计方案的设计计算所使用的参数，主要有Ef( 碳纤维受拉弹性模量)、f f（碳纤维抗拉强度设计值）胶粘剂的粘结强度，结构胶粘剂主要承重结构构件粘结，长期承受设计应力和环境作用，所以其主要承受抗拉抗压抗剪等作用。因此材料进场后，抽样送检，做针对性的性能指标材料复试检验，在材料进场时做了如下复试检测，符合要求后再使用于本工程：

　　○1碳纤维布现场检测指标（高强度Ⅰ级）

　　检测项目 计量单位 技术要求 检测结果 单项评定

　　抗拉强度标准值 MPa ≥3400 3443 合格

　　受拉弹性模量 MPa ≥2.4×105 2.59×105 合格

　　伸长率 % ≥1.7 2.32 合格

　　○2碳纤维布浸渍胶粘现场检测指标(A级胶)

　　性能项目 技术要求 检测结果

　　抗拉强度MPa ≥40 59.5

　　受拉弹性模量MPa ≥2500 2899

　　伸长率% ≥1.5 2.0

　　抗拉强度 ≥7.0 76.1

　　钢一钢拉伸抗剪强度标准值MPa ≥14 16.6

　　○3底胶的现场检测性能指标

　　性能项目 技术要求 检测结果

　　与混凝土的正拉粘结强度MPa ≥2.5且为混凝土内聚破坏 4.0混凝土内聚破坏

　　钢-钢拉伸抗剪强度MPa ≥14 7.1

　　3、施工过程控制：

　　3.1施工流程：

　　○1准备工作→○2基层处理→○3涂敷基底胶→○4绘制碳纤维布的布设图→○5裁剪碳纤维布→○6铺贴基准放线→○7确认基底胶面状态→○8搅拌浸渍胶脂→○9涂浸渍胶→○10铺贴碳纤维布→○11表面涂浸渍胶→○12二层粘贴碳纤维布重复○7~○11。

　　3.2碳纤维布加固施工过程的要点：

　　碳纤维布加固施工过程，主要是基层的处理和碳纤维布的粘贴过程，如果这两个过程控制不当，将直接影响加固的效果，所以在施工前对操作人员技术人员进行认真的技术交底，对每道工序严格按照方案和规范要求执行。混凝土结构的表面强度较低或污染较重，它与纤维布的粘贴强度就会很低，易发生脆性的剥离破坏，使得纤维布不能充分发挥作用。

　　3.2.1混凝土结构的表面处理：

　　①清除加固区域混凝土表面所需加固部位的剥落、疏松、蜂窝等劣化混凝土，露出混凝土结构层，如有严重凹凸不平处，用专用修复，再用手提砂轮机磨平。

　　②将被粘贴的混凝土面打磨坚实平整，除去表面浮浆，油污等杂质直至露出混凝土新面，特别模板接缝处需打磨平整、圆滑、自然，不得有急弯或凸出，在梁的阳角处另需磨掉棱角打磨成R≥20?弧形角。

　　③确保处理好的混凝土表面保持干净干燥。不得有灰尘油污等二次污染，否则应重新进行处理，下道工序施工前应用吹风机将混凝土表面清理干净。

　　3.2.2涂刷底层树脂的控制要点

　　①将底涂的主剂和固化剂严格按厂家工艺规定的配比进行计量称取，置于干净容器内搅拌均匀，一次的配制量以在可使用时间内用完为准（根据施工时的环境温度，常温一般控制在40分钟内），根据现场实际气温来决定配制量，并要严格控制使用时间。

　　②施工前再次对加固区域混凝土表面作好仔细检查，确保表面干净干燥，施工时用滚筒或毛刷含底涂树脂，在被粘贴混凝土表面均匀涂布，并注意涂布时不得留下空洞或漏涂，涂层厚度应均匀。

　　③等待胶固化后，固化时间应根据施工现场气温确定，以手指触感干燥为宜。底涂树脂达到指触干燥后，尽快进行下一步施工。

　　3.2.3粘贴面不平整修复的控制要点

　　①仔细观察混凝土表面，查找是否存在凹阴角部位等缺陷，划出需要修补的区域。

　　②按厂家提供的材料工艺规定配制找平树脂。

　　③对需要修补的凹陷部位用找平材料填补密实、平整，尽量不应有棱角或凸起。

　　④将转角或阴角部位用修复材料修理成光滑的圆角，半径不应小于20?。

　　⑤将修复后的粘贴面再进行平整打磨一次，并清理干净待用。

　　⑥宜在找平材料指触干燥后尽快进行下一道工序的施工。

　　3.2.4粘贴碳纤维布的控制要点

　　①将碳纤维布用剪刀依据设计尺寸裁切并小心放置，避免弄脏和损坏。同时在加固粘贴区域按设计尺寸进行弹线，确保粘贴位置准确无误。

　　②将浸渍树脂的主剂及固化剂按规定比例称重后搅拌均匀待用，一次配制不宜过多，应于40分钟内用完。

　　③用滚筒或毛刷含浸渍树脂在混凝土表面所粘贴区域均匀涂布，涂布时应注意浸渍胶不宜过多或不足，以免引起涂布不均或漏涂。在搭接捌角部位处适当多涂抹一些。

　　④将碳纤维布平顺地贴合在均匀涂布浸渍胶的加固混凝土面上，碳纤维布的搭接长度不小于100?。

　　⑤粘贴时开始用手轻压，用滚轮沿纤维方向单向反复滚压碳纤维布，使得浸渍胶充分浸透碳纤维布并除去碳纤维布中残留气泡，滚压时不得损伤碳纤维布，拱起部位及角落容易产生气泡处须用刮刀小心除泡。

　　⑥在已贴好的碳纤维面层上，用滚筒含浸渍胶重复滚压使碳纤维表面浸润良好。后续施工须待碳纤维粘贴30分钟以上时间方能进行，并注意是否有浮起或错位现象，若有则应用滚轮或刮刀压平修正。

　　⑦在粘贴二层碳纤维布的部位重复○3~○6步骤。并在碳纤维布表面均匀涂抹浸渍树脂胶。

　　⑧如果需要在已粘贴好的碳纤维布表面进行粉刷，为了方便后道工序粉刷牢固则应当在最后一遍浸渍胶初凝前粘撒黄砂或绿豆砂，以使表面毛糙，待糙化表面固化后抹5~10?水泥砂浆。

　　3.3碳纤维施工质量检验及施工效果

　　每一道工序结束后及时按照工艺要求进行检查，如出现质量问题立即返工处理，做好相关的验收记录。施工温度宜在5~35度范围内，相对湿度不大于70%。

　　施工结束后的现场质量检查重点是碳纤维布与混凝土之间的粘结，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，根据回音来判断粘结效果，是否出现空鼓、粘贴不密实的现象。总有效粘结面积不应低于95%，当碳纤维布的空鼓面积小于10000?2时，可采用针管注胶的方式进行补救，当空鼓面积大于10000?2时，宜将空鼓处的碳纤维布切除重新搭接贴上等量的碳纤维布，搭接长度应不小于100?。【2】

　　对现场施工质量自查合格后委托具有资质的南京工业大学南京工大建设工程技术有限公司进行现场碳纤维布与混凝土的正拉粘结强度试验，随机抽取一组。

　　碳纤维布正拉粘结强度检测结果如下：

　　序号 抗拉强度 抗拉强度平均值

　　1 2.97 3.01

　　2 3.14

　　3 2.93

　　本综合楼采取碳纤维加固方法施工，从准备到完成只用15天，没有出现任何质量问题，满足了工程的使用功能，达到了良好质量效果。

　　4、 结语：

　　通过碳纤维布加固施工实践表明，应用本施工技术是成功的，但在施工过程中应特别关注下列关键技术措施：

　　 1、施工所用的碳纤维布和胶粘剂的质量必须符合设计技术要求。同时须对纤维布与胶粘剂相适配性和安全性进行检验，否则就会导致结构加固工程失败，造成更大的危害。

　　2、 碳纤维布与混凝土的粘剂质量必须高度重视，首先保证被粘贴的混凝土强度不得低于C20，在粘贴碳纤维布时必须浸透使碳纤维布内和层间达到设计的粘结强度，才能充分发挥碳纤维布的抗拉强度，才能确保承重结构加固后的安全可靠。