工程案例
業(yè)務(wù)范圍
砼結構碳纖維補強加固施工工法
發(fā)布時(shí)間：2014-07-15
1．前言
近年來(lái)，由于受施工質(zhì)量及各種自然環(huán)境、人為因素的綜合影響，已建成的混凝土結構可能會(huì )出現承載力不足、混凝土表面裂縫等問(wèn)題，影響結構的正常使用。這些問(wèn)題大部分是能通過(guò)加固改造解決的。碳纖維（carbon fiber reinforced polymer簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP）具有抗拉強度高、密度小、耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。結構碳纖維加固方法是利用樹(shù)脂類(lèi)粘結材料將碳纖維片材（碳纖維布和碳纖維板的總稱(chēng)）粘結于混凝土表面，以達到結構及構件加固補強的目的，是近年來(lái)應用比較先進(jìn)的加固方法。我公司自1999年承擔湖北省建設廳“碳纖維用于混凝土結構加固應用研究”課題后，通過(guò)若干年工程的檢驗，對該項施工工藝運用嫻熟，特將此編寫(xiě)為工法。
2．工法特點(diǎn)
2．1補強材料薄、重量輕，強度高：碳纖維片材基本不增加原結構尺寸及自身重量。其抗拉強度是普通HRB335鋼的7～10 倍，且具有優(yōu)異的補強效果。
2．2 抗腐蝕：能有效地防護構件的混凝土和鋼筋免受酸、堿、鹽、水等介質(zhì)的腐蝕，應用面廣。
2．3 耐久性能好，耐磨損、抗老化：碳纖維片與環(huán)氧樹(shù)脂膠結材料本身及經(jīng)其補強的混凝土構件可以長(cháng)期承受紫外線(xiàn)輻射。碳纖維復合材料的疲勞強度約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著(zhù)的征兆。
2．4 保持結構原狀，外形美觀(guān)：碳纖維片材便于隨構件原形裁剪、貼附。修復補強不增加構件高寬尺寸及體積，且表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材料。
2．5 施工簡(jiǎn)便，快捷：傳統加固補強施工工藝如粘鋼、外包混凝土方法必須進(jìn)行大量混凝土剔鑿、鋼筋綁扎、焊接、澆筑混凝土以及大型機械設備吊裝等作業(yè)，而碳纖維片加固補強施工對施工空間要求很低，便于在狹小空間作業(yè)，施工快捷，對周?chē)母蓴_很小。
3．適用范圍
工業(yè)與民用建筑中鋼筋混凝土梁、板、柱、剪力墻結構，橋梁涵洞、隧道、襯砌、鋼筋混凝土煙囪、筒倉、池罐側壁等，因結構損傷承載力不足及改變，且鋼筋混凝土結構強度等級不小于C15，且長(cháng)期使用的環(huán)境溫度不高于60℃的鋼筋混凝土結構，都可采用碳纖維加固施工工法加固、補強。
4．工藝原理
碳纖維加固是采用碳纖維片材（抗拉強度極高的碳纖維絲在高溫下“拉拔”成型，單向排列成束，并經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂膠預浸而成的碳纖維增強復合片材），以環(huán)氧樹(shù)脂作為膠結材料，將纖維片材沿受力方向或垂直于裂縫方向粘貼在受損結構上，膠結材料作為它們之間的剪力連接媒介，形成新的復合體，使增強貼片與原有鋼筋共同作用，增大了結構抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結構的強度，延性及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續發(fā)展，從而起到加固補強的作用。必要時(shí)也可交叉粘貼單向纖維片材。整個(gè)工藝的關(guān)鍵在于碳纖維片粘貼的緊密性與牢固性，以保證與原結構形成整體，共同工作。
5．施工工藝流程及操作要點(diǎn)
5．1 工藝流程
5．2 操作要點(diǎn)
5．2．1 施工準備
1．應認真閱讀設計施工圖。在進(jìn)行混凝土表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線(xiàn)定位。
2．應根據施工現場(chǎng)實(shí)際情況和加固構件混凝土的補強荷載要求，制定相應施工方案和施工計劃。
3．應對所使用的碳纖維片材、配套樹(shù)脂、機具等做好施工前的物質(zhì)準備工作。
4．進(jìn)場(chǎng)后的碳纖維片材、配套樹(shù)脂應抽樣送檢，合格后方可施工。
5．施工宜在環(huán)境溫度為5℃以上的條件下進(jìn)行，并應符合配套樹(shù)脂要求的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應采用適用于低溫環(huán)境的配套樹(shù)脂或采取升溫措施。
5．2．2 卸荷
加固前，應根據設計要求對加固構件進(jìn)行卸載。
5．2．3 構件表面處理
1．將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈并達到結構密實(shí)部位。
2．檢查外露鋼筋是否銹蝕，如有銹蝕，需進(jìn)行必要處理。
3．對經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，用高于原構件混凝土強度的環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補、復原、達到表面平整。
4．應按設計要求對裂縫進(jìn)行灌漿或封閉處理：縫寬小于0.20mm 的裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面涂抹密閉；大于或等于0.20mm 的裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌縫。
5．對貼片范圍的定位、劃墨線(xiàn)、按修復、補強設計要求進(jìn)行。
6．被粘貼的混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結構新面。轉角粘貼處應進(jìn)行導角處理并打磨加以圓化，如圖5.2.3-1所示。圓化半徑對于梁不應小于20mm；對于柱不應小于25mm。
1—構件截面外表面；2—碳纖維材料； r—棱角圓化半徑
圖5.2.3-1 構件截面棱角的圓化打磨
7．清洗打磨過(guò)的構件表面，并使其充分干燥。
5．2．4 涂底膠
1．把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱(chēng)量準確后放人容器內，用攪拌器拌合均勻，一次調和量應以在可使用時(shí)間內用完為準，超過(guò)可使用時(shí)間不得再用。
2．在底層涂料中嚴禁添加溶劑。含有溶劑的毛刷或用溶劑弄濕了的滾筒不得使用。
3．用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后才能進(jìn)行下一道工序的施工。
4．底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類(lèi)似結露的露珠一樣）要用砂布或角磨機磨平后，再補涂底層涂料。
5．宜在底層樹(shù)脂表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。
5．2．5 找平
1．應對混凝土表面凹陷部位用環(huán)氧膩子填補平整，不應有棱角。
2．內角（段差、起拱）等）要用環(huán)氧膩子填補，使之平順。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。
3．宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。
5．2．6 涂底膠
找平后，再涂一層底膠，然后進(jìn)入下一道工序。
5．2．7 粘貼碳纖維片材
1．應按下列步驟和要求粘貼碳纖維布：
1）應按設計要求的尺寸剪裁碳纖維布。
2）應按產(chǎn)品生產(chǎn)提供的工藝規定配制浸漬樹(shù)脂，并均勻涂抹于粘貼部位。
4）多層粘貼時(shí)應重復上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹(shù)脂指觸干燥后盡快進(jìn)行下一層粘貼。
5）應在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹(shù)脂。
2．應按下列步驟和要求粘貼碳纖維板：
1）應按設計要求的尺寸裁剪碳纖維板，并按產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)提供的工藝規定配制粘結樹(shù)脂。
2）應將碳纖維板表面擦拭干凈至無(wú)粉塵。當需粘貼兩層時(shí)，底層碳纖維板的兩面均應擦拭干凈。
3）擦拭干凈的碳纖維板應立即涂刷粘結樹(shù)脂，樹(shù)脂層應呈突起狀，平均厚度不應小于2mm。
4）應將涂有粘結樹(shù)脂的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩壓實(shí)，使樹(shù)脂從兩邊擠出，保證密實(shí)無(wú)孔洞。當平行粘結多條碳纖維板時(shí)，兩條板帶之間的空隙不應小于5mm。
5）需粘貼兩層碳纖維板時(shí)，應連續粘貼。當不能立即粘貼時(shí)，再開(kāi)始粘貼前對底層碳纖維板重新進(jìn)行清理。
3．加固時(shí)，碳纖維片材延伸至支座邊緣應滿(mǎn)足粘貼延伸長(cháng)度的要求（《混凝土結構加固設計規范》GB50367-2006）。
4．碳纖維片材的纖維方向宜與構件軸向垂直。
5．碳纖維片材的截斷位置對板不小于1/4跨度，對梁不小于1/3跨度。
5．2．8 表面防護
1．加固后的碳纖維表面應進(jìn)行抹灰保護。在碳纖維表面的樹(shù)脂固化之前，撒一層干燥粗砂，再采取抹灰措施。
2．當設計有耐火極限的要求時(shí)，按選用的防火涂料進(jìn)行施工，并保證防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結。
5．3 施工注意事項
5．3．1 采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時(shí)，應由專(zhuān)業(yè)施工隊伍進(jìn)行施工。
5．3．2 施工過(guò)程中應避免碳纖維片材彎折。
5．4 勞動(dòng)力組織
視現場(chǎng)工期及施工面積確定班組數，每班組約10～12 人，其中管理人員4 人（工長(cháng)、技術(shù)、質(zhì)量、安全各1 人），專(zhuān)業(yè)工人6～8 人,每天粘貼7～10?。
6．材料與設備
6．1 材料
6．1．1 碳纖維片材
1．碳纖維片的抗拉強度、彈性模量以及延性等性能指標須符合設計要求和產(chǎn)品質(zhì)量標準。
2．碳纖維布的抗拉強度應按纖維的凈截面面積計算，凈截面面積取碳纖維布的計算厚度乘以寬度。碳纖維布的計算厚度取碳纖維布的單位面積質(zhì)量除以碳纖維密度。單層碳纖維布的單位面積碳纖維質(zhì)量不宜低于150g/?，且不宜高于450g/?。在施工質(zhì)量有可靠保證時(shí)，單層碳纖維布的單位面積碳纖維質(zhì)量可提高到600g/?。
3．碳纖維板的性能指標應按板的截面（含樹(shù)脂）面積計算，截面（含樹(shù)脂）面積取實(shí)測厚度乘以寬度。碳纖維板的厚度不宜大于2.0mm，寬度不宜大于200mm，纖維體積含量不宜小于60％。
4．碳纖維片材的組其力學(xué)性能指標應滿(mǎn)足表7.1-1的要求。測定方法參照現行國家標準《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》GB/T3354測定。
6．1．2 配套樹(shù)脂類(lèi)粘結材料
1．粘結劑要有足夠的粘結性能，工藝過(guò)程中各部位所使用的環(huán)氧樹(shù)脂膠結材料的種類(lèi)、型號，應根據施工時(shí)的溫度、濕度進(jìn)行選擇。應正確掌握主劑和固化劑的配比，使滲透性、粘稠度、固化速度等方面能滿(mǎn)足不同季節施工的需要。
2．采用碳纖維片材對混凝土結構加固時(shí)，應采用與碳纖維片材配套的底層樹(shù)脂、找平材料、浸漬樹(shù)脂或粘結樹(shù)脂。
3．配套樹(shù)脂類(lèi)粘結材料的主要性能應滿(mǎn)足表7.1-2、表7.1-3、表7.1-4的要求。
6．1．3 表面防護材料
1．對已加固完的結構表面應進(jìn)行防護處理。表面防護材料應與浸漬樹(shù)脂或粘結樹(shù)脂可靠粘結。
2．選用的防火材料及其處理方法，應使加固后的建筑物達到要求的防火等級。
3．當被加固的結構處于特殊環(huán)境時(shí)，應根據具體情況選用有效的防護材料。
6．1．4 其他材料
在受彎加固和受剪加固時(shí)，被加固的混凝土結構構件，其現場(chǎng)實(shí)測混凝土強度等級不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘結強度不得低于1.5MPa。采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時(shí)，混凝土強度等級不應低于C10。
6．2 主要機具：角向磨光機、砂紙、剪刀、鑿子、榔頭、臺秤、卷尺、水平儀、鉛錘、專(zhuān)用滾筒、刮板、攪拌容器、橡膠抹子、滾洞刷子、攪拌器、防護眼鏡、橡膠手套、口罩等。
7．質(zhì)量控制
7．1 材料的質(zhì)量應符合下列指標：
表7.1-1 碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標
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性能項目
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碳纖維板
|
|
|
抗拉強度標準值
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≥
|
≥
|
|
彈性模量
|
≥
|
≥
|
|
伸長(cháng)率
|
≥
|
≥
|
表7.1-2 底層樹(shù)脂的性能指標
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性能項目
|
性能指標
|
試驗方法
|
|
正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
|
參見(jiàn)現行標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術(shù)規程》CECS146:2003
|
表7.1-3 找平材料的性能指標
|
性能項目
|
性能指標
|
試驗方法
|
|
正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
|
參見(jiàn)現行標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術(shù)規程》CECS146:2003
|
表7.1-4 浸漬樹(shù)脂和粘結樹(shù)脂的性能指標
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性能項目
|
性能指標
|
試驗方法
|
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拉伸剪切強度
|
≥10MPa
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GB7124-1986
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拉伸強度
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≥30MPa
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GB/T2568-1995
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|
壓縮強度
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≥70MPa
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GB/T2569-1995
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|
彎曲強度
|
≥40MPa
|
GB/T2570-1995
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|
正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
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CECS146:2003
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彈性模量
|
≥1500MPa
|
GB/T2568-1995
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|
伸長(cháng)率
|
≥1.5%
|
GB/T2568-1995
|
7．2 碳纖維應貼于梁的受拉區的下緣，如需要貼于梁側面時(shí)，僅限于1/4梁高的范圍，對側面的碳纖面積應乘以折減系數。
7．3 碳纖維粘貼層數不宜層數過(guò)多；對多層碳纖維應考慮共同工作系數的折減，碳纖維層數過(guò)多將導致混凝土結構的脆性破壞。
7．4 碳纖維布互相銜接(接長(cháng))的部位采取重疊結構，重疊部分長(cháng)度為不小于100mm。對于柱的抗震加固時(shí)，搭接長(cháng)度不應小于150mm，各條帶搭接位置應相互錯開(kāi)。
7．5氣溫在5℃以下、相對濕度RH＞85 %、混凝土表面含水率在8%以上、有結露的可能時(shí)，無(wú)有效措施不得施工。
7．6 施工過(guò)程中應避免碳纖維片材彎折。
7．7 碳纖維片材的實(shí)際粘貼面積不應少于設計面積，位置偏差不應大于10mm。
7．8 碳纖維片材與混凝土之間的粘貼質(zhì)量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法檢查，總有效粘貼面積不應低于95％。當碳纖維的空鼓面積不大于10000時(shí)，可采用針管注膠的方法進(jìn)行修補；當空鼓面積大于10000，宜將空鼓部位的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖維片材，搭接長(cháng)度不應小于100mm。
7．9 碳纖維片材加固混凝土結構施工質(zhì)量的現場(chǎng)檢驗應在已完成碳纖維片材粘貼加固的結構表面上進(jìn)行。按實(shí)際粘貼碳纖維片材的加固結構表面面積計，500以下工程取一組試樣，500至1000 工程取兩組試樣，1000 以上工程每1000 取兩組試樣。試樣應由檢驗人員隨機抽取，試樣間距不得小于500mm。
7．10 應對碳纖維片材配套底樹(shù)脂類(lèi)粘結材料單層或復合涂層與混凝土之間的正拉粘結強度進(jìn)行測定。測定方法見(jiàn)《碳纖維片材加固混凝土結構技術(shù)規程》CECS146:2003。
8．安全措施
大多數膠粘劑中含有有機溶劑和有損人體健康的化學(xué)物品，因此在整個(gè)加固補強過(guò)程中，都必須注意安全和勞動(dòng)保護，主要防護措施如下：
8．1工長(cháng)要每天進(jìn)行班前安全教育和隨時(shí)安全檢查，充分確認材料的使用方法、保管及管理方式后才可施工。
8．2安排整理好通道、施工架等現場(chǎng)作業(yè)條件，施工人員必備的口罩、護目鏡、橡皮手套、安全帽、安全帶等必須嚴格穿戴。
8．3使用有機溶劑并在密閉的場(chǎng)所施工，應有通風(fēng)換氣措施，并嚴禁吸煙，避免火災。
8．4底漆、環(huán)氧樹(shù)脂、涂料等若沾到皮膚，應以肥皂水洗凈，如碰到眼睛，應即以大量清水沖洗，并緊急送到醫院治療。
8．5碳纖維片材為導電材料，施工碳纖維片材時(shí)應遠離電氣設備和電源，或采取可靠的防護措施，并配備有滅火器以便救護。
8．6樹(shù)脂的配置和使用場(chǎng)所應保持通風(fēng)良好。
9．環(huán)保措施
9．1 碳纖維片材配套樹(shù)脂的原料應密封儲存，遠離火源，避免陽(yáng)光直接照射。
9．2 廢棄的碳纖維片材及其配套的粘貼材料，不可隨意丟棄，應遵循相關(guān)的規定執行。
10．效益與施工效率分析
10．1 技術(shù)經(jīng)濟效益
碳纖維片材的重量輕、強度高，隨形性好，能適應各種復雜結構外形的修復補強，基本不增加結構重量；碳纖維修復補強工藝施工簡(jiǎn)便，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，但施工總費用較其他材料有優(yōu)勢。它免除了鋼板補強、混凝土補強等傳統方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養護、拆模等繁雜的工序和輔助設施，而且占用空間小，即使在高空作業(yè)，也只需設置簡(jiǎn)易工作平臺即可。因此，用碳纖維片修復補強混凝土結構的綜合造價(jià)將低于傳統的補強方法，經(jīng)濟效益視具體工程情況而定，越是復雜結構其效益將愈明顯。另外，碳纖維片補強有非常良好的抗腐蝕性能和耐久性，不需作任何防腐處理，而粘鋼加固則需做定期防銹、防腐處理。因此，碳纖維片修復補強技術(shù)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟效益。
10．2 社會(huì )效益
由于碳纖維片材修復補強的施工簡(jiǎn)便、施工周期短、占用空間小，使施工對周?chē)挠绊懶�。例如：城市橋梁、大型公用設施、工業(yè)與民用建筑的維修，為了減少施工帶來(lái)的損失，必要時(shí)在一定條件下還可在交通設施正常運營(yíng)、工廠(chǎng)正常生產(chǎn)的情況下進(jìn)行作業(yè)，因此有一定的社會(huì )效益。對受意外災害，特別是地震災害引發(fā)的房屋、橋梁等混凝土結構物的震損，用碳纖維片材快速修復，使城鎮人民的生產(chǎn)、生活盡快恢復正常，則其社會(huì )效益和環(huán)境效益都將是巨大的。
11．應用實(shí)例
11．1 民意廣場(chǎng)三號樓工程（1998年），框架剪力墻結構，地下兩層，地上二十五層，總建筑面積11000。其中地下兩層柱至地上四層柱，以及梁柱接頭部位采用粘貼碳纖維補強加固，運用碳纖維面積500。
11．2 華工科技樓工程（2000年），框架剪力墻結構，地下一層，地上十三層，總建筑面積9000 。剪力墻、框架梁、板采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積1000。
11．3 宜昌濱江國際花園商住樓工程（2005年），框架剪力墻結構，地上十七層，建筑面積33796.8 。由于業(yè)主改變使用功能，地下二層至地上五層剪力墻、框架梁、柱均采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積600。
11．4 湖北省婦女兒童發(fā)展中心綜合樓工程（2005年），框架剪力墻結構，地下一層，地上二十層，建筑面積27840 。由于業(yè)主改變使用功能，七～十七層板采用粘貼碳纖維進(jìn)行補強加固，碳纖維粘貼面積800。
11．5 湖北省棉花檢驗中心實(shí)驗室改擴建工程（2007年），框架結構，地上十層，總建筑面積5000 。原有結構一～八層柱、梁采用粘貼碳纖維進(jìn)行補強加固。
上述工程加固均通過(guò)專(zhuān)項驗收，使用至今仍效果良好。
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