浅谈碳纤维加固在工程中的应用

【摘要】随着大型商场的不断新建，建成后因市场变化，业主改变原有使用功能，进行了改造。因为功能改变，无法满足原设计荷载要求，从而需要采用多种方法对现有结构构件进行加固，其中碳纤维加固属于广泛使用的一种。针对碳纤维加固，从材料特点、施工工艺、性能特点三方面进行了讲述，总结出碳纤维加固在工程中的应用。

【关键词】碳纤维、材料特点、施工工艺、性能特点

中图分类号：U457文献标识码： A

1工程概况

本工程位于武汉市盘龙城经济开发区巨龙大道西侧，北临酒店用品市场。总建筑面积约27.5万平方米，占地面积约5万平方米，由裙房和两栋塔楼组成，其中裙房地下一层，层高4.6米，地上五层，首层~三层5.1米，四层4.8米，五层3.6米，建筑高度为24米；两栋塔楼均为23层，分布于建筑物东部，建筑高度为80米。

因业主要求裙房架空层楼梯移位、功能改变，部分结构荷载增大，梁板结构承载力不足。针对上述问题，经建设单位要求、设计单位设计，确定采用多种方法对承载力不足的结构构件进行加固，其中板采用粘碳纤维加固。

2、材料特点

（1）、高强高效，养护时间短，常温下加固完工后72小时可以受力。

（2）、施工便捷，无湿作业，不需大型施工机具，施工占用场地少。

（3）、具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性。可以抗御建筑物经常遇到的酸、碱、盐对结构物的腐蚀。

（4）、适用面广。可广泛适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，且不改变结构形状。

（5）、施工质量易保证。由于碳纤维材料是柔性的，即使被加固的结构表面不是非常平整也基本可以达到100％的有效粘贴率。

（6）、碳纤维材料质量轻且薄，加固修补后基本不增加原结构自重及原构件尺寸。

3、施工工艺

3.1、工艺流程

施工前准备（技术交底、操作平台搭设等）放线定位及碳纤维布下料 混凝土基面打磨及基面清理 配制并涂刷底层树脂 配制找平材料并对不平整处修复处理 配制浸渍树脂胶粘剂涂刷浸渍树脂胶粘剂并粘贴碳纤维布 （涂刷浸渍树脂粘贴第二层碳纤维布） 碳纤维表面喷涂防火涂料施工质量检查

3.2、各工序施工要点

3.2.1、放线定位

搭设好施工操作平台，依据施工图纸上碳纤维布尺寸与布置间距，在楼板上进行放出碳纤维布粘贴定位线。

3.2.2、混凝土表面处理

剔除被楼板表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣质混凝土清除，直至露出混凝土结构层，并修复完整。将被粘贴混凝土基面应打磨平整，除去表层浮灰、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。对混凝土构件打磨清理干净后显现有细微裂缝的进行封闭或灌缝处理。混凝土构件转角处表面应打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm。并保持混凝土表面洁净、干燥。

3.2.3、碳纤维布下料

根据施工图纸上不同部位使用不同尺寸的碳纤维布下料，下料应平齐顺直。

3.2.4、配制并涂刷底层树脂

根据产品供应商提供的产品性能标准与工艺规定配制底层树脂胶。用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于将被粘贴碳纤维的混凝土表面，涂抹应厚薄均匀适当。在底胶表面指触干燥后尽快进行下一道工序。

3.2.5、配制找平材料并找平修复

对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，且不应出现棱角。转角处应用找平材料修复为光滑的圆弧，半径应不小于20mm。在找平材料指触干燥后尽快进行下一道工序。

3.2.6、配制并涂刷浸渍树脂

用滚刷通体滚刷一遍浸渍树脂，滚刷宽度应略超出碳纤维布宽度。

3.2.7、粘贴碳纤维布

待浸渍树脂指触干燥后粘贴第一层碳纤维布，碳纤维布的粘贴应保证平顺，碳纤维布与胶体粘接牢固有效，无空鼓、曲皱，无翻皮。

3.2.8、碳纤维表面喷涂防火涂料

碳纤维布粘贴完毕后，表面喷涂防火涂料进行防火处理。

3.3、材料性能指标

3.3.1、碳纤维布的选材要求

根据施工图纸要求，本工程采用每平方米不大于300g/m2的高强一级碳纤维布，抗拉强度不小于3400Mpa，弹性模量不小于2.4×105Mpa，伸长率不小于1.7%。碳纤维布的强度等级划分与性能指标如下表所示。

性能项目 破坏状态 一级性能要求

抗拉强度标准值fcfk ―― ≥3400 Mpa

伸长率 ―― ≥1.7%

弯曲强度( Mpa) ―― ≥700 Mpa

层间剪切强度( Mpa) 层间剪切破坏 ≥45Mpa

仰贴条件下纤维复合材与混凝土的正拉粘结强度( Mpa) 混凝土内聚破坏 ≥2.5Mpa，且为混凝土内聚破坏

3.3.2胶粘剂的选材要求

粘贴碳纤维加固用胶粘剂采用与碳纤维性能相匹配的A级胶，其主要安全性能指标应符合下表要求。

用途 性能项目 性能要求 用途 性能项目 性能要求

浸渍粘接胶 胶体性能 抗拉强度（Mpa） ≥40 修补胶 抗拉强度（Mpa） ≥30

受拉弹性模量（Mpa） ≥2500 抗剪强度（Mpa） ≥40

伸长率（%） ≥1.5 与混凝土的正拉粘接强度（Mpa） ≥2.5

抗弯强度（Mpa） ≥50

抗压强度（Mpa） ≥70

粘接能力 钢-钢拉伸抗剪强度标准值（Mpa） ≥14 底胶 钢-钢拉伸抗剪强度标准值（Mpa） ≥14

钢-钢不均匀扯离强度（KN/m） ≥20 混合黏度（23℃）（Mpa.s） ≤6000

与混凝土的正拉粘接强度（Mpa） ≥2.5 与混凝土的正拉粘接强度（Mpa） ≥2.5

不挥发固体物含量（%） ≥99 不挥发固体物含量（%） ≥99

3.4、材料的运输、存贮与加工

3.4.1、碳纤维运输过程中，应避免碳纤维片材的弯折，并进行防雨水、防晒等。

3.4.2、碳纤维为导电材料，存贮与加工时应远离电器设备急电源，或采取可靠的防护措施。

3.4.3、碳纤维片材配套用胶粘剂的原材料应密封储存，保证不要与其他不明液体接触，防止发生化学反应致使胶粘剂失效。

3.4.4、碳纤维与胶粘剂的存贮应远离火源，避免阳光直接照射。

3.4.5、碳纤维布的加工下料时，应按照设计宽幅与长度进行精确裁减；裁减过程中应保证纵向纤维的完整性，严禁斜切碳纤维布，并防止出现拉丝现象。

3.5、质量验收要点

3.5.1、本工程采用碳纤维布重量不大于300g/m2。进场必须对碳纤维原材料产品出厂合格证、产品质量检测报告的性能指标进行检查与检验。

3.5.2、混凝土基面应无疏松界质，基面必须打磨，表面清理干净，干燥无污物。基面要求平整、连续无凹陷，阴阳拐角圆滑平顺。

3.5.3、粘碳纤维所用胶体应严格按照产品说明书要求配制，现场环境条件应符合产品要求。

3.5.4、胶粘剂每次应少量配制，用完后剩余胶粘剂以及超出胶体的可操作时间的胶粘剂，不允许再次使用。

3.5.5、碳纤维布纤维受力方向的搭接长度应不小于100mm。

3.5.6、为了保证碳纤维片材能可靠地与混凝同协调工作，可采取附加的锚固措施。

3.5.7、精细下料，禁止使用边缘不齐，棱角内凹外凸的碳纤维布条。

3.5.8、碳纤维粘贴的过程中，必须辊压到位，保证纤维材料充分浸渍，有效粘贴。

3.5.9、由于结构加固无正式验收规范，结构加固的检验与验收除应满足设计要求与《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006的规定。

3.5.10、加强碳纤维粘贴的检验与验收工作。碳纤维布与混凝土之间的粘结质量用小锤敲击或用手压碳纤维布表面的方法来检验，总有效面积不低于95%。当碳纤维布的空鼓面积小于10000mm2时，可采取针管注胶的方式进行补救。空鼓面积大于10000mm2时，宜将空鼓处的碳纤维片材切除，并重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接长度应不小于100mm。

4、性能评价

4.1、材料性能评价

碳纤维的弹性模量与钢材较为接近，极适合于钢筋砼结构的加固修复，同时，碳纤维的抗拉强度为普通钢材的10倍，在达到相同加固效果的情况下，碳纤维的用量比钢材少得多。

碳纤维重量仅为200-300g/m2，约为3mm厚钢板的1/100，几乎不增加结构自重，不会引起结构的连锁补强。

4.2、经济性能评价

与传统的加固技术相比，碳纤维加固砼技术具有良好的经济性能，虽然表面上看，碳纤维材料价格相对要高一些，但实际用于加固工程时，其综合造价却较低。碳纤维加固工程不需要大型施工机具和辅助机械，节省了台班费用；碳纤维属于轻质柔性材料，易于施工，降低了人工费用；碳纤维具有良好的耐腐蚀性能，不需要定期维护，节省了维护费用；当碳纤维批量使用时，其材料价格也不断下降。

4.3、适用范围评价

从受力性能角度，碳纤维具有很高的拉伸强度和疲劳性能，主要适用于砼构件受拉区域的加固。从材料特征角度，碳纤维为柔性卷材，根据施工需要可加工成U型或圆形，可用于结构梁、柱等的抗压和抗剪加固，防治及修补墙体中的温度裂缝，提高砖砌体结构的抗震能力。从实践应用角度，碳纤维加固砼技术由于避免了其它加固方法增大结构尺寸、减少建筑使用空间、增加自重、施工周期长、耐腐蚀性能差等缺点，目前已广泛应用于房建、桥梁、道路、地下结构、高耸高层结构、工业厂房等建筑结构的加固。

5、结语

加固结构作为二次组合结构，是通过新旧两部分整体工作，提高建筑的承载能力，与传统的加大截面法、外包钢板法、缠绕钢丝法、预应力法相比，碳纤维加固砼技术无须对砼结构打孔穿洞，不会造成结构加固损伤，不用担心由于结构新旧结合处应力集中而减弱加固效果。与较为先进的粘钢板加固技术相比，碳纤维加固不需要辅助机具，施工简便，有效粘贴面积易于保证，施工功效较高。与玻璃纤维、尼龙纤维加固技术相比，由于碳纤维的模量、强度较高，柔韧性、耐腐蚀、抗老化性较好，使得碳纤维加固构件的延性改善程度较高，适用范围较广，利用年限较长。

参考文献：

[1] 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程CECS146:2003 （2007版）

[2]  混凝土结构加固设计规范GB50367-2006

[3] 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程(中国工程建设标准化协会（98）建标协字第13号文)