談碳纖維布與粘鋼組合在鋼筋砼梁柱結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

摘 要：文章通過工程實例，較為系統(tǒng)地講述了，碳纖維布與鋼板組合在鋼筋砼梁柱結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用，表明了此種加固補強方法的有效性、選材的環(huán)保性及施工操作的簡便易行。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；鋼板；砼結(jié)構(gòu)加固

碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國家。碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。我國的這項技術(shù)起步很晚，隨著我國經(jīng)濟繁榮，建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，全國各地掀起了基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)與民用建筑建設(shè)的高潮，現(xiàn)有建筑中存在原有設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)低，有些因使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進(jìn)行維修、加固；相當(dāng)比例由于設(shè)計、施工的問題或自然災(zāi)害的打擊，造成結(jié)構(gòu)破壞、承受能力降低，達(dá)不到安全使用要求，但又未達(dá)到必須全面摧毀拆除的程度，加固成了較為經(jīng)濟的選擇。

常用加固補強的方法有多種，其中碳纖維布與粘鋼組合法加固法是繼增大砼截面、包鋼粘鋼之后的，目前應(yīng)用較為普遍有效的一種新型加固技術(shù)。

1 實例工程項目概況

1.1 某教育中心項目的宿舍樓，為兩幢七層的鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)宿舍樓單體（建筑面積17839.3平方米），兩單體之間由鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)連廊相連（建筑面積為1032.2平方米），連廊的頂棚為單排柱支撐向兩側(cè)懸挑的廊帶式雨篷，一側(cè)為鋼筋砼板懸挑1.4m、一側(cè)為鋼筋砼格柵式小梁懸挑2.5m。

1.2 連廊頂棚結(jié)構(gòu)施工完畢紙，砼達(dá)到設(shè)計強度后拆除模板支撐系統(tǒng)，2天后發(fā)現(xiàn)頂棚輕微傾向格柵梁一側(cè)，在懸挑板一側(cè)的立柱表面從上到下有多道肉眼可見水平裂縫，經(jīng)量測寬達(dá)0.3-0.5mm。要求立即用鋼管在格柵梁一側(cè)采取了托撐處理，防止頂棚傾斜及立柱上橫縫的繼續(xù)發(fā)展。

1.3 經(jīng)設(shè)計單位到現(xiàn)場查勘并驗算，兩側(cè)懸挑件的重量懸殊且錨入單排柱的鋼筋偏弱為主要原因，出具了采用碳纖維與角鋼鋼板組合的加固方案。

設(shè)計圖略去，加固設(shè)計說明如下：

（1）相關(guān)施工應(yīng)符合砼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范（GB50367-2006）。（2）碳纖維布采用2層單向織物高強度I級分次粘貼，纖維方向與柱縱軸方向一致。（3）環(huán)形箍的纖維受力方向應(yīng)與柱縱軸方向垂直，上下層靡靡之間搭接寬度不小于50mm。（4）構(gòu)架柱四角采用L50x4角鋼包裹，根部三面采用L63x5角鋼，另一面采用-500x6鋼板包裹、5.8級M22錨栓連接。（5）柱根東側(cè)與屋面梁交接處采用-2000x200x10與L63x5角鋼焊接，焊縫高度6mm。（6）鋼材Q235鋼，焊條E43，焊縫高度6mm，角焊縫質(zhì)量等級3級，對接焊縫質(zhì)量等級2級。（7）BWL1全長采用2層外包碳纖維進(jìn)行加固，梁兩端采用鋼板箍，其余范圍采用碳纖維環(huán)向箍。（8）施工之前需對柱截面棱角進(jìn)行打磨圓化，圓化半徑不小于25mm。（9）施工完畢后應(yīng)及時對纖維材料進(jìn)行防護處理，避免暴露于陽光和空氣中。

2 加固工程作業(yè)內(nèi)容

主要為碳纖維布粘貼，鋼板粘貼，化學(xué)錨栓等。

3 加固用膠介紹

3.1 本案用膠為上海某產(chǎn)品，分為粘鋼結(jié)構(gòu)膠A、B組份；碳纖維浸漬膠A、B組份。

3.2 粘鋼結(jié)構(gòu)膠A、B組份

3.2.1 WLB-400粘鋼膠系A(chǔ)、B雙組分改性環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠，分常溫固化（WLB-400N）、低溫固化（WLB-400L）和潮濕環(huán)境固化（WLB-400D）三種類型的產(chǎn)品。具有粘接力、剪切力強，抗老化、耐介質(zhì)（酸、堿、水）性能好、抗沖擊性能強，常溫固化、硬化過程收縮小、施工無流淌，不含揮發(fā)性溶劑、無毒以及施工方便等特點。

3.2.2 適用于改造工程中混凝土構(gòu)件外部粘貼鋼板加固；土木工程中各種建筑材料的自粘和互粘；配膠比例：A、B組份配比為3：1。

3.3 碳纖維浸漬膠A、B組份

3.3.1 WLB-800系列碳纖維膠系A(chǔ)、B雙組份改性環(huán)氧類膠粘劑，由WLB-801底膠、WLB-802W修補膠、WLB-803浸漬膠組成。WLB-803浸漬膠具有粘度低、強度高，浸潤性、滲透性好，抗老化、耐介質(zhì)（酸、堿、水）性能好，室溫固化、不含揮發(fā)性溶劑、無毒以及施工流淌少等特點。

3.3.2 適用于WLB-803浸漬膠主要用于加固構(gòu)件表面碳纖維、玻璃纖維及其它纖維類片材的粘貼；配膠比例：A、B組份配比為3：1。

4 加固膠的使用要點及注意事項

4.1 粘鋼A、B組份結(jié)構(gòu)膠

粘鋼加固施工要點：混凝土及鋼板表面處理→加固構(gòu)件卸荷→配制WLB-400粘鋼結(jié)構(gòu)膠→涂膠、粘貼→固定、加壓→固化→卸支撐→質(zhì)量檢驗→防腐、封閉處理。

4.2 碳纖維A、B組份浸漬膠

碳纖維加固施工要點：加固設(shè)計→混凝土表面處理→配制并涂刷WLB-801底膠→配制WLB-802修補膠涂刮找平→配制WLB-803浸漬膠貼碳纖維布→固化養(yǎng)護→質(zhì)量檢驗。

4.3 注意事項：施工環(huán)境通風(fēng)、干燥，粘貼面潔凈、無油污；固化溫度不低于5攝氏度，環(huán)境溫度20-25攝氏度時固化時間不少于3天，平均溫度為10攝氏度時固化時間不少于7天；施工時必須具備手套、口罩、護目鏡等防護用品；若不慎弄到皮膚或衣物上，可用丙酮清洗并用大量清水沖洗；基不慎食用或濺入眼睛，應(yīng)立即就醫(yī)。

4.4 運輸、儲存：本品屬無毒、非危險品，按一般化學(xué)建材運輸；運輸途中不得曝曬、雨淋或倒置；A、B兩組份應(yīng)分開存放，避免混雜；本品常溫（25攝氏度）下干燥儲存，儲存期12個月。

5 主要施工方法

施工時遵循先粘貼碳纖維布，然后進(jìn)行粘鋼及角鋼包粘施工作業(yè)。

5.1 碳纖維布粘貼施工

5.1.1 碳纖維布及粘結(jié)劑材質(zhì)特點

重量輕，幾乎不增加原結(jié)構(gòu)荷重；擁有比普通鋼材高10倍的高拉伸強度（詳見下表）；良好的抗腐蝕性能，不受鹽分及酸的腐蝕；可抗化學(xué)反應(yīng)，耐高溫和低溫；可與鋼筋混凝土表面緊密接觸，并可配合形狀施工；施工方便，可縮短施工工期。

碳纖維布產(chǎn)品性能

碳纖維布配套膠材及找平材料力學(xué)性能指標(biāo)

碳纖維布浸漬膠力學(xué)指標(biāo)要求（不小于表中數(shù)值）

5.1.2 粘貼碳纖維布施工步驟及技術(shù)組織設(shè)計

施工準(zhǔn)備→碳纖維布位置定位→結(jié)構(gòu)面打磨→高壓空氣吹理浮灰→丙酮洗面→配制找平材料找平→配制底層膠并涂刷、碳纖維下料→底層膠固化，配制浸漬膠并涂刷、粘貼碳纖維布→粘結(jié)劑固化前，外表面噴砂防護。

5.1.3 具體做法

嚴(yán)格按加固設(shè)計及《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范GB50367-2006》、《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》GB/T 20490-2008、國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行材料進(jìn)場檢驗、各道工序的監(jiān)督驗收以及各分項工程檢查認(rèn)可。同時及時有針對性地做好施工技術(shù)交底與安全交底。首先按加固圖要求，用切割機切除部分格柵梁，進(jìn)行卸荷。

材料：（1）粘粘碳纖維布粘結(jié)劑采用上海某專業(yè)廠家的WLB系列粘結(jié)膠、浸漬膠，A、B組份在使用前3：1進(jìn)行調(diào)配攪拌均勻；（2）碳纖維片材亦采用上海某專業(yè)廠家產(chǎn)品，按設(shè)計要求現(xiàn)場剪裁。

粘貼準(zhǔn)備：（1）在對指定格柵梁切割卸荷頂棚回復(fù)穩(wěn)定后，對相應(yīng)的梁柱構(gòu)件面，鑿除粉刷層、清除表面松散浮渣。面層用角向磨光機打磨，直至完全露出原結(jié)構(gòu)層混凝土嶄新面，平整度應(yīng)達(dá)到5mm/m；構(gòu)件轉(zhuǎn)角粘貼處須打磨成圓弧狀，圓弧半徑應(yīng)不小于20mm。（2）打磨后用強力吹風(fēng)機徹底清除表面粉塵。（3）清理打磨后的混凝土表面，若有超過10mm的凹陷處，應(yīng)使用底膠調(diào)水泥修補找平，有高差或轉(zhuǎn)角部位，應(yīng)抹成平滑的曲面。（4）粘貼前以丙酮清洗粘合面，并待其干燥。

配置粘結(jié)劑：（1）WLB膠按產(chǎn)品使用說明書規(guī)定和工藝配置，設(shè)專人負(fù)責(zé)。（2）容器內(nèi)不得有油污、水漬，攪拌時避免雨水、灰塵進(jìn)入容器。（3）按同一方向采用低速攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌至均勻、無氣泡產(chǎn)生。（4）攪拌好須在10～60分鐘內(nèi)使用完畢（不同的操作環(huán)境溫度，時間可有所調(diào)整）。

粘貼碳纖維：（1）將配置好的粘結(jié)劑涂抹在已經(jīng)處理好的混凝土表面，厚度均勻，然后將碳纖維粘貼并固定于預(yù)定位置。（2）用專用的滾筒或塑料刮刀順纖維方向多次滾壓或刮壓，使粘結(jié)劑充分浸透碳纖維中，且使其平整、無氣泡，滾壓刮壓時不得損傷碳纖維布。（3）多層粘貼時，應(yīng)在底層碳纖維表面浸漬膠干燥后立即進(jìn)行下一層的粘貼。

搭接：碳纖維搭接應(yīng)順纖維方向，搭接長度不得小于150mm。

防護：粘貼加固完成，最外層碳纖維外側(cè)浸漬膠完全固化前采用噴砂處理。

5.1.4 碳纖維布粘貼的檢查與驗收

（1）粘貼碳纖維布施工質(zhì)量檢驗及驗收標(biāo)準(zhǔn)詳見下表：

施工質(zhì)量檢驗及驗收標(biāo)準(zhǔn)

（2）粘結(jié)質(zhì)量不符合要求需割除修補時，應(yīng)沿空鼓邊沿，將空鼓部分的碳纖維割除，每邊向外緣擴展100mm用同樣碳纖維材料、同樣粘結(jié)劑，補貼在原處。抗拉強度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求時，應(yīng)將此部分碳纖維剝?nèi)ブ刈觥?/p>

5.2 粘鋼

5.2.1 粘鋼施工工藝

施工流程：粘貼面處理→加壓固定（根據(jù)實際情況及設(shè)計方案，有時免去卸荷步驟）→膠粘劑配制→涂膠和粘貼→固化（卸加壓固定系統(tǒng)）→檢驗→維護。

5.2.2 粘貼面處理

（1）混凝土面應(yīng)鑿除粉飾層，清理油垢、污物，然后用角磨機打磨除去1-2mm厚表層，較大凹陷處用找平膠修補平整，打磨完畢用壓縮空氣吹凈浮塵，最后用棉布沾丙酮拭凈表面，待粘貼面完全干燥。（2）鋼板的粘貼面應(yīng)用角磨機進(jìn)行去糙、除銹處理，直至打磨出現(xiàn)光澤。使用前若潔凈僅用干布擦拭即可；否則需用棉布沾丙酮拭凈表面，待完全干燥后備用。

5.2.3 加壓固定（根據(jù)實際情況及設(shè)計方案，有時免去卸荷步驟）

（1）加固構(gòu)件所承受的活荷載如人員、物件宜暫時移去，盡量減小施工臨時荷載。（2）加壓固定宜采用千斤頂、墊板、頂桿所組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能產(chǎn)生較大壓力，而且加壓固定的同時卸去了部分加固構(gòu)件承擔(dān)的荷載，能更好的使后粘鋼板與原構(gòu)件協(xié)同受力，加固效果好，施工效率高。（3）加壓固定也可采用膨脹螺栓、角鋼、墊板所組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要在加固構(gòu)件上合適位置鉆孔固定膨脹螺栓，僅能產(chǎn)生較小壓力，不能產(chǎn)生卸荷效果，適合側(cè)面鋼板的粘貼。

5.2.4 膠粘劑配制

WLB粘鋼膠分為A、B組份，取潔凈容器（塑料或金屬盆，不得有油污、水、雜質(zhì)）和稱重衡器按說明書配合比混合，并用攪拌器攪拌約5-10分鐘至色澤均勻為止。攪拌時最好沿同一方向攪拌，盡量避免混入空氣形成氣泡，配置場所宜通風(fēng)良好。

5.2.5 涂膠和粘貼

膠粘劑配制好后，用膩刀涂抹在已處理好鋼板面上（或混凝土表面），膠斷面宜成三角形，中間厚3毫米左右，邊緣厚1毫米左右，然后將鋼板粘貼在混凝土表面，用準(zhǔn)備好的固定加壓系統(tǒng)固定，適當(dāng)加壓，以膠液剛從鋼板邊縫擠出為度。

5.2.6 固化、卸加壓固定系統(tǒng)

5.2.7 檢驗

（1）WLB系列膠粘劑操作性能較佳，正常操作可達(dá)到100%的飽滿度。檢驗時可用小錘輕擊粘貼鋼板，從音響判斷粘貼效果，也可采用超聲儀檢測。若錨固區(qū)有效粘結(jié)面積少于90%，非錨固區(qū)有效粘結(jié)面積少于70%，應(yīng)剝離鋼板，重新粘貼。（2）對重要構(gòu)件也可采用載荷檢驗，一般采用分級加載至正常荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，檢測結(jié)果較直觀、可靠。此種檢測費用較高，耗時較長。需用的工具、料具有千斤頂或配重（常用沙袋、磚塊）、百分表、裂縫顯微鏡、衡器。

5.3 錨栓施工

（1）鉆孔孔徑及濃度須與錨栓相匹配，用硬毛刷刷孔壁再用潔凈的壓縮空氣吹出灰塵，反復(fù)進(jìn)行不少于3次。如有必要可用丙酮或酒精擦凈孔壁。（2）保證螺栓表面潔凈、干燥、無油污。（3）確認(rèn)玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異?，F(xiàn)象，將其圓頭朝內(nèi)放入錨固孔并推至孔底。（4）使用電錘或電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強力旋轉(zhuǎn)插入直至孔底，擊碎玻璃管并強力混合錨固藥劑。電錘或電鉆的轉(zhuǎn)速應(yīng)調(diào)至慢速檔，且不應(yīng)采用沖擊方式。（5）當(dāng)旋至孔底或螺栓上標(biāo)志位置時，立刻停止旋轉(zhuǎn)，取下安裝夾具，凝膠后至完全固化前避免擾動，超時旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致膠液流失，影響錨固力。（6）外觀檢查固化是否正常。重要部位的螺栓需進(jìn)行現(xiàn)場抗拔試驗，檢驗其錨固力是否滿足設(shè)計要求；合格后方可進(jìn)行下一道工序的施工。（7）錨固質(zhì)量檢查及驗收。a.錨孔質(zhì)量檢查：錨孔的位置、直徑、孔深及垂直度；錨孔的清孔情況；錨孔周圍混凝土是否存在缺陷，是否已基本干燥，環(huán)境溫度是否符合施工工藝要求；鉆孔是否傷及原結(jié)構(gòu)鋼筋；b.錨固質(zhì)量檢查：對照加固圖紙檢查錨固位置、尺寸、垂直度及膠漿外觀固化情況等；用鐵釘刻劃檢查膠漿固化程度；以手搖方式初步檢驗是否錨實；錨固作業(yè)的驗收，可依照《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2004中的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)需進(jìn)行現(xiàn)場拉拔檢驗時，試件的取樣規(guī)定可以《規(guī)程》中“附錄A”中要求為準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

經(jīng)過監(jiān)理方及施工方的共同努力，對原料質(zhì)量認(rèn)真把關(guān)、嚴(yán)格遵照科學(xué)的工藝流程、強化工序的監(jiān)督檢查與驗收，最終確保了本案加固工程的順利實施，符合設(shè)計與規(guī)范，達(dá)到加固要求，至今未再見產(chǎn)生可見裂縫。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50367-2006.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ145-2013.混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程[S].

作者簡介：環(huán)軍，男，國家注冊監(jiān)理工程師、一級注冊建造師、高級工程師。大學(xué)畢業(yè)后一直從事工業(yè)與民用建筑工程的項目管理與研究。