钢筋混凝土柱碳纤维加固施工工法

摘要：碳纤维（carbon fiber reinforced polymer简称CFRP）具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性和耐久性好等优点。结构碳纤维加固方法是利用树脂类粘结材料将碳纤维片材（碳纤维布和碳纤维板的总称）粘结于混凝土表面，与原混凝土构件共同受力，以达到构件加固补强的目的，是近年来比较先进的一种加固方法。

关键词：碳纤维；加固；施工

中图分类号：U215.14 文献标识码：A

1.工法特点

1．1补强材料薄、重量轻，强度高：碳纤维片材基本不增加原结构尺寸及自身重量。其抗拉强度是普通HRB335钢的7～10 倍，且具有优异的补强效果。

1．2 抗腐蚀：能有效地防护构件的混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀，应用面广。

1．3 耐久性能好，耐磨损、抗老化：碳纤维片与环氧树脂胶结材料本身及经其补强的混凝土构件可以长期承受紫外线辐射。碳纤维复合材料的疲劳强度约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

1．4 保持结构原状，外形美观：碳纤维片材便于随构件原形裁剪、贴附。修复补强不增加构件高宽尺寸及体积，且表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。

1．5 施工简便，快捷：传统加固补强施工工艺如粘钢、外包混凝土方法必须进行大量混凝土剔凿、钢筋绑扎、焊接、浇筑混凝土以及大型机械设备吊装等作业，而碳纤维片加固补强施工对施工空间要求很低，便于在狭小空间作业，施工快捷，对周围的干扰很小。

2．适用范围

工业与民用建筑中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙等结构构件，因结构原因承载力不足、钢筋混凝土结构强度等级不小于C15、且长期使用的环境温度不高于60℃的钢筋混凝土结构，都可采用碳纤维加固施工工法加固。

3．工艺原理

碳纤维加固是采用碳纤维片材，以环氧树脂作为胶结材料，将纤维片材沿受力方向粘贴在构件上，胶结材料作为它们之间的剪力连接媒介，形成新的复合体，使增强贴片与原有钢筋共同作用，增大了结构抗拉或抗剪能力，并能有效地提高结构的强度，延性及抗裂性，控制裂缝和挠度的继续发展，从而起到加固补强的作用。必要时也可交叉粘贴单向纤维片材。整个工艺的关键在于碳纤维片粘贴的紧密性与牢固性，以保证与原结构形成整体，共同工作。

4．施工工艺流程及操作要点

4．1 工艺流程

4．2 操作要点

4．2．1 施工准备

1．认真阅读设计施工图。在进行混凝土表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。

2．根据施工现场实际情况和加固构件混凝土的补强荷载要求，制定相应施工方案和施工计划。

3．对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等做好施工前的准备工作。

4．进场后的碳纤维片材、配套树脂应抽样送检，合格后方可施工。

5．施工宜在环境温度为5℃以上的条件下进行，并应符合配套树脂要求的施工使用温度。

4．2．2 卸荷

加固前，根据设计要求对加固构件进行卸载或支撑。

4．2．3 构件基层界面处理

1．将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净并达到结构密实部位。

2．检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，需进行除锈处理。

3．对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，用高于原构件混凝土强度的环氧砂浆进行修补、复原、达到表面平整。

4．对贴片范围的定位、划墨线、按修复、补强设计要求进行。

5．被粘贴的混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土结构新面。转角粘贴处应进行导角处理并打磨加以圆化。柱圆化半径不应小于25mm。

6．清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

4．2．4 涂底胶

1．把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌合均匀，一次调和量应以在初凝时间内用完为准，超过初凝时间不得再用。

2．在底层涂料中严禁添加溶剂。含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用。

3．用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面，指触干燥后才能进行下一道工序的施工。

4．底层涂料指触干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般类似结露的露珠一样）要用砂布或角磨机磨平后，再补涂底层涂料。

5．宜在底层树脂表面指触干燥后，及时进行下一工序的施工。

4．2．5 找平

1．对混凝土表面凹陷部位用环氧腻子填补平整，不应有棱角。

2．内角（段差）要用环氧腻子填补，使之平顺。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。

3．宜在找平材料表面指触干燥后，及时进行下一工序的施工。

4．2．6 涂底胶

找平后，再涂一层底胶，然后进入下一道工序。

4．2．7 粘贴碳纤维片材

1．按下列步骤和要求粘贴碳纤维布：

1）按设计要求的尺寸剪裁碳纤维布。

2）按产品生产提供的工艺规定配制浸渍树脂，并均匀涂抹于粘贴部位。

3）将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不得损伤碳纤维布，均匀压实，无气泡发生。

4）多层粘结时，应在纤维织物表面浸渍胶液达到指干时立即粘贴下一层。

5）最外层纤维织物粘贴完毕后，其表面均匀涂刷一道浸渍，粘结专用的结构胶；干燥养护12小时后可进行保护层施工。

2．加固时，碳纤维片材延伸至支座边缘应满足粘贴延伸长度的要求（《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006）。

4．碳纤维片材的纤维方向宜与构件轴向垂直。

4．2．8 表面防护

1．加固后的碳纤维片材局部用U型钢锚板和L型钢板封边，并用锚栓固定。验收合格后进行抹灰保护。在碳纤维表面的树脂固化之前，撒一层干燥粗砂，再采取抹灰措施。

5．3 施工注意事项

5．3．1 采用粘贴碳纤维片材加固混凝土结构时，应由专业施工队伍进行施工。

5．3．2 施工过程中应避免碳纤维片材弯折。

5．4 劳动力组织

视现场工期及施工面积确定班组数，每施工班组不少于2人，管理人员1 人，专业工人3人。

5．材料和机具

5．1 材料

5．1．1 碳纤维片材

1．碳纤维片的抗拉强度、弹性模量以及延性等性能指标须符合设计要求和产品质量标准。

2．单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量不宜低于150g/，且不宜高于450g/。

3．碳纤维片材的组其力学性能指标应满足表7.1-1的要求。测定方法参照现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定。

5．1．2 配套树脂类粘结材料

1．粘结剂要有足够的粘结性能，工艺过程中各部位所使用的环氧树脂胶结材料的种类、型号，应根据施工时的温度、湿度进行选择。应正确掌握主剂和固化剂的配比，使渗透性、粘稠度、固化速度等方面能满足当前季节施工的需要。

2．采用碳纤维片材对混凝土结构加固时，应采用与碳纤维片材配套的底层树脂、找平材料、浸渍树脂或粘结树脂。

3．配套树脂类粘结材料的主要性能应满足相应规范的要求。

5．1．3 表面防护材料

1．对已加固完的结构表面应进行防护处理。表面防护材料应与浸渍树脂或粘结树脂可靠粘结。

2．当被加固的结构处于特殊环境时，应根据具体情况选用有效的防护材料。

5．2 主要机具：角向磨光机、砂纸、剪刀、凿子、榔头、台秤、卷尺、水平仪、铅锤、专用滚筒、刮板、搅拌容器、橡胶抹子、滚动刷子、搅拌器、防护眼镜、橡胶手套、口罩等。

6．质量控制

6．1 材料的质量应符合下列指标：

表6.1-1 碳纤维片材的主要力学性能指标

性能项目 碳纤维布

抗拉强度标准值 ≥4000Mpa

弹性模量 ≥2.4*105Mpa

伸长率 ≥1.7%

表6.1-2 底层树脂的性能指标

性能项目 性能指标 试验方法

正拉粘结强度 ≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值 参见现行标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003

表6.1-3 找平材料的性能指标

性能项目 性能指标 试验方法

正拉粘结强度 ≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值 参见现行标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003

表6.1-4 浸渍树脂和粘结树脂的性能指标

性能项目 性能指标 试验方法

拉伸剪切强度 ≥10MPa GB7124-1986

拉伸强度 ≥30MPa GB/T2568-1995

压缩强度 ≥70MPa GB/T2569-1995

弯曲强度 ≥40MPa GB/T2570-1995

正拉粘结强度 ≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值 CECS146:2003

弹性模量 ≥1500MPa GB/T2568-1995

伸长率 ≥1.5% GB/T2568-1995

6.2 碳纤维布互相衔接(接长)的部位采取重叠结构，重叠部分长度为不小于100mm。柱的抗震加固时，搭接长度不应小于150mm，各条带搭接位置应相互错开。

6．3 施工过程中应避免碳纤维片材弯折。

6．4 碳纤维片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，其单位面积质量允许偏差

±3%，位置偏差不应大于10mm。

6．5 碳纤维片材与混凝土之间的粘贴质量，对结构应全数检查，可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法检查，总有效粘贴面积不应低于95％。

6．6 碳纤维片材与加固混凝土结构粘结强度检验应在已完成碳纤维片材粘贴加固的结构表面上进行。按实际粘贴碳纤维片材的加固结构同规格、同型号的构建

为一检验批，构件总数10%确定，但不得少于3根。

7．安全措施

大多数胶粘剂中含有有机溶剂和有损人体健康的化学物品，因此在整个加固补强过程中，都必须注意安全和劳动保护，主要防护措施如下：

7．1管理人员要每天进行班前安全教育和随时安全检查，充分确认材料的使用方法、保管及管理方式后才可施工。

7．2安排整理好通道、施工架等现场作业条件，施工人员必备的口罩、护目镜、橡皮手套、安全帽、安全带等必须严格穿戴。

7．3使用有机溶剂并在密闭的场所施工，应有通风换气措施，并严禁吸烟，避免火灾。

7．4底漆、环氧树脂、涂料等若沾到皮肤，应以肥皂水洗净，如碰到眼睛，应即以大量清水冲洗，并紧急送到医院治疗。

7．5碳纤维片材为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施，并配备有灭火器以便救护。

8．环保措施

8．1 碳纤维片材配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。

8．2 胶的配制和使用场所，进行必要铺设防护，防止污染地面和墙面。

8. 3 废弃的碳纤维片材及其配套的粘贴材料，不可随意丢弃；应分类存放，及时回收，并做好无害化处理。

9．效益与施工效率分析

9．1 技术经济效益

碳纤维片材的重量轻、强度高，随形性好，能适应各种复杂结构外形的修复补强，基本不增加结构重量；碳纤维修复补强工艺施工简便，虽然碳纤维本身的价格高于其他材料，但施工总费用较其他材料有优势。它免除了钢板补强、混凝土补强等传统方法所需的植筋锚固、装拆夹具、立模、支撑、灌注混凝土、养护、拆模等繁杂的工序和辅助设施，而且占用空间小，即使在高空作业，也只需设置简易工作平台即可。另外，碳纤维片补强有非常良好的抗腐蚀性能和耐久性，不需作任何防腐处理。

9．2 社会效益

在施工过程中，学校师生正常上课，由于碳纤维片材修复补强的施工简便、施工周期短、噪音小、占用空间小等特点，加固施工中对学校正常的教学活动影响较小。

10．应用实例

淄博中学餐厅、开发区实验小学主教学楼部分钢筋混凝土柱高6.8米―16.2米间，因原配筋设计达不到新的抗震规范要求，需要加固补强。根据设计院加固设计方案，我公司采用碳纤维片材粘贴的加固补强工艺进行了施工，后附施工示意图。