碳纖維加固技術在建筑加固工程中的運用

馬 峰 長春市長發(fā)置業(yè)有限公司

1 前言

碳纖維加固技術屬于新型加固修補技術，主要是是指通過優(yōu)化與改進環(huán)氧樹指類型膠結(jié)材料，將碳纖維片粘貼于混凝土表面，從而提升建筑結(jié)構(gòu)的承載能力，以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)加固與補強的做法。此技術使用的是具備高耐水性的無機高分子纖維，化學腐蝕抵御性能良好，適用于樓面荷載增大、承載力不足的樓宇等建筑的加固施工中。目前，國際上此技術已得到廣泛應用，我國也陸續(xù)引入此技術并逐步應用于建筑結(jié)構(gòu)加固施工當中，從以往的施工成效來看，碳纖維加固技術經(jīng)濟性強、加固效果顯著。因此，值得對碳纖維加固技術展開探討研究，從而確保建筑加固工程中此技術應用成效能夠得到最大化發(fā)揮。

2 碳纖維材料

碳纖維增強復合材料具備補強與加固功能，具有高強度與強彈性，可單排成束，經(jīng)環(huán)氧樹脂浸漬制作而成的碳纖維板或未經(jīng)浸漬的碳纖維布均屬于碳纖維片材。將此片材貼粘于建筑結(jié)構(gòu)表面，能夠增強此結(jié)構(gòu)件的抗剪能力以及抗彎性能，可提高工程項目質(zhì)量，工程壽命得到延長。碳纖維片材具備高達2400MPa～3400MPa 的拉抻強度，比普通碳素鋼板的拉伸強度更大，利于提升建筑工程結(jié)構(gòu)的承載能力。片材碳纖維片有超高等、高等、中等三種模量等級，碳纖維片具備重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、不易受化學物質(zhì)影響、抗熱及抗寒性能良好等諸多優(yōu)點?；炷两Y(jié)構(gòu)加固修補時所應用的配套樹脂系統(tǒng)，可增強粘結(jié)底層涂料應用效果，能夠有效填充混凝土表面的孔隙。

3 碳纖維加固技術的適用范圍

碳纖維加固技術可應用于多種類型建筑、不同結(jié)構(gòu)位置的加同修補施工中，既能應用于梁柱、屋架、筒體等結(jié)構(gòu)，也適用于橋墩及橋梁的加固。具體可應用于砌體抗震加固、既有鋼筋混凝土加固、構(gòu)件抗彎或抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、樓面荷載增大及樓宇增層加固，也可用于承載力加固以及樓板開裂、樓面荷載增大、剪力墻開洞等加固施工，此外，公路橋墩加固、橋梁斷裂加固以及舊橋或水塔加固等均可應用此方法。

4 碳纖維加固的技術方式及應用要求

4.1 加固方式

梁板構(gòu)件受拉區(qū)的受彎加固中可應用粘貼碳纖維片加固方式，要確保纖維方向與加固處的受拉方向保持一致。柱構(gòu)件的受剪加固可應用三種碳纖維片材粘貼方法：一是封閉式粘貼；二是U形粘貼；三是側(cè)面粘貼。加固時應確保纖維方向始終垂直于構(gòu)件軸向?？拐鸺庸讨?，主要采用封閉式加固方法，且纖維方向應垂直于柱軸?；炷两Y(jié)構(gòu)加固時，也應選用粘貼碳纖維片材的方式。

4.2 碳纖維片材的應用要求

4.2.1 應力及抗拉強度要求

混凝土加固時應根據(jù)國家標準，結(jié)合概率理論，利用極限狀態(tài)設計法計算與驗算承載極限狀態(tài)，通過檢測鋼筋及混凝土材料強度，結(jié)合國家現(xiàn)行標準確定材料強度設計指標，以構(gòu)件極限狀態(tài)下的應變力大小，結(jié)合彈性應力應變關系確定碳纖維片材的應力，選用極限抗拉強度高于95%的碳纖維片材。

4.2.2 荷載及混凝土強度等級要求

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加固時如采用粘貼碳纖維片材加固法，應考慮加固對其他構(gòu)件的影響，且結(jié)構(gòu)加固時應將結(jié)構(gòu)上的活荷載卸除，若無法完全卸載則應考慮二次受力影響。受彎及受剪加固時，混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的強度等級應高于C15，混凝土柱加固時若采用封閉粘貼碳纖維片材方式，應確?；炷翉姸雀哂贑10。

5 建筑加固工程中碳纖維加固技術的應用實例分析

5.1 工程概況

長春拖拉機廠工業(yè)遺址改造項目屬于文物修繕加固工程，此建筑建設年代久遠，老化較為嚴重，為恢復建筑原貌，確保建筑特征彰顯，需要在設計意圖明確的基礎上運用傳統(tǒng)材料、工藝及做法施工。本項目一期工程中的2 號及3 號廠房需要做內(nèi)外部修繕改造，總修繕面積為57979.11m2，由于本工程屬于EPC 項目，加之工程期限較短，屋面加固及3 號廠房室內(nèi)新增建筑施工中需要交叉作業(yè)，因而施工難度較高。

5.2 施工方案介紹

本工程劃分為多個施工階段，為保證工程進度，2號及3號廠房應同步施工，且將施工分為屋面加固、屋面支撐、屋面拆除以及安裝等多個施工階段。屋面加固施工中，首先應鑿除失效混凝土，清除混凝土表面碎屑并采用人工除銹方式處理鋼筋，而后制作與安裝模板，利用CGM灌漿料加固混凝土梁，養(yǎng)護之后應用碳纖維加固技術實施屋面加固，利用粘貼法進一步加固屋面，從而為后續(xù)施工奠定基礎。

5.3 粘貼碳纖維加固技術實施過程

5.3.1 定位放線

碳纖維加固技術應用前應詳細分析施工設計圖，了解需加固的范圍及具體位置，而后在構(gòu)件之上做彈線處理，標明粘貼位置處的輪廓線，粘貼位置外圍要留出20mm以上的加寬打磨區(qū)。

5.3.2 基層處理

（1）劣質(zhì)砼鑿除與修復。全面清除待加固表面已剝落或被腐蝕的劣質(zhì)混凝土，使混凝土結(jié)構(gòu)層裸露，而后利用修復材料修平混凝土表面。根據(jù)設計要求灌漿或封閉處理混凝土表面之上的裂縫。

（2）打磨與平整。劣質(zhì)混凝土全部清除后，將需粘貼碳纖維材料的區(qū)域打磨平整，將附著于其上的浮漿或油污全部清除，使混凝土結(jié)構(gòu)表面完全露出，將其表面平整度應控制在mm/m 之內(nèi)。需粘貼的轉(zhuǎn)角處要做導角處理，將之打磨成為圓弧狀，但圓弧半徑不可超過20mm。

（3）表面清理與干燥。利用強力吹風機吹除混凝土表面上的殘渣，并利用丙酮清潔表面，確保混凝土表面處于干燥狀態(tài)。若混凝土表面含水率高于4%，或是環(huán)境溫度低于5℃，需要通過有效措施處理以降低混凝土含水率或提高環(huán)境溫度，待混凝土表面溫度、干燥度符合規(guī)定要求后才可粘貼碳纖維布。

5.3.3 裁剪下料

根據(jù)設計要求尺寸、結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況裁剪碳纖維布，碳纖維布裁剪后的寬度應盡量大于150mm。

5.3.4 底層樹脂配制與涂刷

（1）樹脂配制。根據(jù)工藝要求配制底層樹脂，應安排專人負責配膠作業(yè)，利用低速攪拌器調(diào)膠，或是采用人工攪拌方法，應確保攪拌均勻，不產(chǎn)生氣泡，且要避免灰塵等雜物落入膠內(nèi)而影響樹脂的質(zhì)量。

（2）樹脂涂刷。涂膠時要使用專用滾刷，保證涂抹均勻性，所有待粘混凝土表面均要涂到，不可漏涂，且涂后膠不可流墜。樹脂應隨配隨用，應于規(guī)定時限使用完畢。涂刷后需晾置一段時間，待樹脂表面完全干燥后再實施后續(xù)施工。

5.3.5 找平處理

找平作業(yè)時，應根據(jù)供應商所提供的工藝要求為依據(jù)選用適合的找平材料，確?；炷帘砻娴乃邪枷萏幘惶钇剑豢捎型蛊鸹蚶饨?。轉(zhuǎn)角處應利用找平材料處理成圓弧形，并保證轉(zhuǎn)角光滑，圓弧半徑一般應大于20mm。找平后待材料干燥后方可進入下一工序。

5.3.6 碳纖維布材粘貼

（1）擦拭與粘貼。根據(jù)供應商提供的工藝要求為依據(jù)配制好粘貼樹脂，在底層樹脂表面干燥后遵循均勻性原則涂刷粘貼樹脂，擦拭干凈碳纖維布材，去除其上附著的粉塵之后再將之粘貼于指定位置。第二層碳纖維布材按照同樣方法進行粘貼，并需將底層及上層碳纖維布擦拭干凈，且應立即完成碳纖維布的粘貼。

（2）滾壓與浸漬。碳纖維布粘貼后，應利用專用滾筒沿纖維方向做滾壓處理，通過重復滾壓排除其中的氣泡，以便碳纖維布可被浸漬樹脂完全浸透。滾壓時應謹慎小心，不可破壞碳纖維布。第二層或第三層粘貼后應重復滾壓，確保上一層表面浸漬樹脂干燥后再粘貼下一層。表面碳纖維布粘貼后，也要在其表面上涂滿浸漬樹脂，若需抹灰實施，則應將中砂噴撒于樹脂表面之上，在樹脂完全固化后再實施抹灰施工。

5.3.7 固化養(yǎng)護

完成碳纖維布粘貼后，應固化養(yǎng)護72h，在此期間要做好碳纖維布保護，不可觸碰或重壓，以免碳纖維布受到擾動而影響其固化效果。

5.4 檢驗、驗收

5.4.1 材料檢驗

檢查碳纖維片材、配套樹脂粘貼材料的出廠檢驗報告及合格證是否齊全，詳細比對材料及其證件批號是否統(tǒng)一，可現(xiàn)場取樣抽檢進場的碳纖維布及膠粘劑，具體檢驗指標分別見表1及表2所示。

表1 碳纖維材料試驗指標

根據(jù)表2要求改性配制底涂膠及修補膠時，應以廠家確定的膠體性能及工藝性能為依據(jù)，需保證粘結(jié)力符合規(guī)定要求。仰面或立面粘貼碳纖維布時，40℃時粘結(jié)劑的下垂流度不可高于3mm。正拉粘結(jié)檢測時，所應用的混凝土塊強度等級應介于C40 與C45 之間。強度等級為C15 與C20 的混凝土，其抗拉強度標準值的檢驗系數(shù)應為1.2，C25 混凝土塊的檢驗系數(shù)為1.1，而C25以上的混凝土，檢驗系數(shù)則應為1.0。粘貼碳纖維織物的混凝土等級需要高于C20。

表2 粘貼碳纖維粘結(jié)劑基本性能要求

5.4.2 工序檢驗

碳纖維布粘貼施工中，應根據(jù)規(guī)定要求驗收隱蔽工程，針對各道工序進行詳細檢查，若工序檢驗結(jié)果與規(guī)定要求不相符，應根據(jù)所出現(xiàn)的問題針對性補救，若粘貼碳纖維布的質(zhì)量不符合設計標準，也要酌情處理或重新施工。

（1）定位放線檢驗。重點是檢查定位尺寸是否與設計圖要求相一致，并且要仔細核對定位位置與規(guī)定位置之間是否出現(xiàn)偏差。

（2）基層處理檢驗?；炷粱鶎犹幚頇z驗時，要檢查所處理基層是混凝土結(jié)構(gòu)層，不可對裝修層進行處理。混凝土表面平整度應為5mm/m。打磨范圍應比粘貼位置長出2cm～2.5cm。打磨程度檢驗標準是：混凝土表面的浮漿外道層被全部磨掉，且打磨深度應介于1mm～2mm之間，確?；炷帘砻鏇]有松散性或劣質(zhì)性結(jié)構(gòu)存在。要求混凝土表面無浮灰及油污等雜質(zhì)，并保持在干燥狀態(tài)。陰陽角應處理成圓弧形，應對圓弧半徑進行檢測，確保其數(shù)值大于20mm。

（3）裁布下料檢驗。裁布下料環(huán)節(jié)的檢驗重點是下料尺寸是否符合設計圖要求，長度偏差不可超過5mm～8mm，且寬度偏差應介于2mm～4mm之間。

（4）配膠檢驗。配膠檢驗時，要檢測臺秤計量精準度，并檢查膠配制時是否根據(jù)膠的品種差異按照說明書分別確定底膠、打平膠以及浸潤膠的配比。常溫狀態(tài)下應于2h內(nèi)用完膠，若環(huán)境溫度較低，則可延長膠使用時間，但也應于3h～4h內(nèi)使用完畢。

（5）粘貼工序檢驗。粘貼碳纖維布時，各個粘貼層之間的時間預留控制應為檢驗重點，每層粘貼后，采用指觸方式檢驗碳纖維布是否完全干燥，徹底干透后方可開展后續(xù)施工。粘貼過程中，混凝土表面涂膠要保持均勻，粘貼時滾壓方向應始終為纖維方向，要求粘貼后不出現(xiàn)氣泡，確保纖維布完全浸透，并將空鼓率控制在5%之內(nèi)，單一小塊空鼓面積不可超過1m2。碳纖維布實際粘貼面積應與設計量相符，不可出現(xiàn)10mm 以上的位置偏差。利用小錘敲擊或受壓方法檢測碳纖維布及混凝土間的粘結(jié)質(zhì)量，有效粘結(jié)率應高于95%。

5.4.3 檢驗不合格處的修復

若檢驗過程中發(fā)現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，應立即修復處理。若空鼓面積不大，可利用針孔注射器向其中注射粘貼樹脂，以消除空鼓現(xiàn)象。若空鼓面積過大，則需剪下空鼓部分，再裁剪出比裁下部分各邊長15cm 的碳纖維布，并確保二者縱向方向相同，涂刷粘貼樹脂后將之粘貼于空鼓修復處。

6 結(jié)語

碳纖維加固技術是當前建筑構(gòu)件加固處理中的常用方法，經(jīng)濟效益十分顯著。碳纖維材料具備自重小、操作過程簡便、可操作性好的優(yōu)勢。市場經(jīng)濟背景下，建筑企業(yè)更加注重于施工的經(jīng)濟效益及施工的安全性，利用碳纖維加固技術既能節(jié)約加固施工的時間、人力及物料成本，也可保障加固施工過程的安全性，能夠提升建筑結(jié)構(gòu)加固處理質(zhì)量，可為建筑使用者的健康及財產(chǎn)保障提供有力支持。