某混凝土结构的加固及粘贴碳纤维布在其中的应用

摘要：碳纤维加固混凝土是一种新型的加固技术，本文介绍碳纤维加固结合其他传统的加固方法对某一混凝土框架结构进行加固，达到良好的经济和技术效果。

关键词：碳纤维布（Carbon Fiber Sheet）、加固（Strenthen）

一. 前言

碳纤维是上一世纪六十年代随航天、航空科技发展而产生的一种高性能材料。上世纪90年代在美、日等发达国家碳纤维布被用于土木建筑结构的加固和补强。碳纤维材料的抗拉强度是钢材的10倍以上，弹性模量略高于钢材，但没有屈服点。随着碳纤维生产工艺和成本的下降，碳纤维布以其强度高、自重轻、施工方便快捷、良好的效果和耐久性等优点，在结构工程加固中的应用越来越广泛。

外部粘贴碳纤维布加固混凝土是通过粘结材料在混凝土结构表面粘贴碳纤维布，使碳纤维布与混凝同受力。这种加固方法具有不加大自重和截面，材料加工快捷、易于剪裁、施工工期短、良好的耐候性，适用于各种恶劣的外部环境，良好的柔韧性，能包裹各种外形复杂的构件。因此用碳纤维布加固混凝土结构技术，在某种情况比传统的加固方法（如粘贴钢板、包钢法、加大截面法等）有较大优势。

二. 概述

某5层现浇混凝土结构，平面体形为矩形（见图1），总长X宽=52mX15m，建筑面积4400m2檐高19米，本地区地震烈度为六度，为丙类建筑，场地类型II（根据抗震规范可不进行地震作用验算），基础形式为天然地基浅基础（柱下条形基础）。本工程有加建历史，原为“5+1”结构（见图2）于1991年竣工，后于1993年在L~G轴间二层天面上加建3层成为“5+4”结构（见图2），加建工程在1993年竣工。

该建筑屋原设计为办公楼，建成后开始是用作办公楼，后改作通讯设备装配车间，现业主要求重新装修后用作办公楼。经有关单位、部门的现场检查，发现该建筑物存在以下问题：

（1）2、3、4层L~E轴（加建位置）楼板板面支座处出现大量结构裂缝。

（2）G轴加建层柱支承在梁端，未落到基础，柱有吊脚现象（见图2）。

（3）G轴新旧混凝土柱连接处出现纵向裂缝。

（4）施工质量低劣，局部位置有不按图施工的现象。

经质检部门对进行的全面检测，结果发现建筑物基础的沉降稳定，柱间相对沉降、建筑物倾斜符合有关规范要求；混凝土强度部分位置低于设计图纸值；部分楼板厚度小于设计厚度（二层楼板设计厚度为100mm，二抽芯检测显示楼板厚度仅为6.5~9mm）。

根据以上检测数据，对其进行安全复核，复核结果显示：

（1）该建筑物上部结构部分构件承载力不足，承载力不足的构件主要集中在18~22轴线间。

（2）部分柱截面过小，轴压比过大(梯间、卫生间、外飘多的柱特别明显)，配筋不足，G轴各柱二层柱截面比首层大（底层300X400）,

（3）二~四层300X650，柱有“吊脚”现象；

（4）部分梁高跨比太小，配筋不足，特别是18~22轴线间的跨度8.5M的梁，因被擅自抽调四根柱而造成截面偏小配筋不足；

（5）部分大跨度楼板厚度和配筋不足，特别是18~22轴线间的大跨度单向板。

（6）加建柱与原柱未能很好连接，不能共同工作。

（7）部分构件混凝土强度低于设计强度。

（8）因此可以判定该建筑物上部结构安全储备不足，，存在安全隐患，须引起高度重视。如须继续使用，建议采取结构加固补强和减荷措施。

图1

图2

三. 结构加固方案

根据结构鉴定和安全复核的结果，考虑施工工期、建筑功能对结构构件截面的要求，采用如下的加固方案：

（1） 对于承载力不足的柱，采用加大截面法加固（图3）。

（2） 加建结构的“吊脚柱”下方（首层）加柱至基础，新加柱与首层柱连接。

（3） 因混凝土强度不足或其它原因引起承载力不足的梁，采用加大截面法加固。

（4） 为能使G轴加建混凝土柱能与原混凝土柱共同工作，在每层该柱段加5个预应力钢箍（图4）。

（5） 对于开裂或厚度不足的楼板粘贴碳纤维布(图5)方法加固。加固前所有楼板裂缝灌缝。

图3

图4

图5

四. 加固材料

碳纤维加固材料有碳纤维（抗拉强度标准值3000Mpa，弹性模量2.1×105Mpa）、底层树脂 、找平树脂、漫溃树脂、粘结树脂、其它加固方法使用的材料有钢板、结构胶等。

五. 加固设计依据

本工程加固设计所依据的主要技术资料有：

1) 原设计图纸、竣工图

2) 原结构检测及鉴定报告

3) 《混凝土结构加固技术规范》CECS25：90

4) 《混凝土结构设计规范》GBJ10－89

5) 《混凝土结构设计规范》GB50010－2002

6) 《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146：2003

除碳纤维以外的传统的加固按国家有关规范规程进行设计，碳纤维加固技术在我国是一项新的加固技术，现尚未有相应的技术标准，本工程碳纤维布的设计参考《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》及美国规范。

六. 碳纤维加固施工的有关问题

用碳纤维加固混凝土结构主要取决与碳纤维与混凝土之间的粘结质量。纤维加固施工主要流程如下：

1、施工准备；

(1) 认真阅读施工方案及图纸，充分理解设计意图和要求；

(2) 熟悉施工现场和被加固构件混凝土的实际状况，拟定施工方案和施工计划；

(3) 对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等作好施工前的准备工作。

(4) 在粘贴碳纤维片区域，要求混凝土表面含水率≤ 4%，有达不到此要求处，应用烘干机或其他方法烘干。

(5) 根据加固设计施工图，在需要加固的构件上，标出粘贴碳纤维的部位。经过技术人员检查无误后可进入下道工序。

2、混凝土表面处理；

（1） 消除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层；

（2） 如有裂缝，对裂缝进行灌缝或封闭处理；

（3） 被粘贴混凝土表面应打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出结构新面。

（4） 用钢丝刷打毛混凝土基层使其在表面形成许多细微的孔洞，再将混凝土表面清理干净并保持干燥。

（5） 用脱脂棉沾丙酮擦拭混凝土表面。

3、底层树脂配制并涂刷；

（1） 按一定比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用搅拌器搅拌均匀，根据气温决定用量，并严格控制使用时间。

（2） 按规定厚度用滚筒或毛刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，并不得有漏刷或有流淌、气泡，待树脂表面触指干燥后（一般不小于2小时）方可进行下一步工序施工。

4、找平材料配置并对不平整处修复处理；

（1） 配制整平胶料；

（2） 混凝土表面凹陷部位用整平胶料填补平整，不应有棱角；

（3） 转角处应用找平材料修复为光滑的圆弧，半径不小于20mm；

（4） 待找平材料表面指触干燥时即进行下一步工序施工。

5、浸渍树脂或粘贴树脂的配制并涂刷；粘贴碳纤维片材；

（1） 按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；

（2） 配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴的部位；

（3） 将碳纤维小心逐部平铺在已涂浸渍树脂的混凝土的表面

（4） 用特制的滚筒沿纤维同一方向反复多次滚压，挤除气泡，并使浸渍树脂充分浸透碳纤维布，滚压时不应损伤碳纤维布；

（5） 待表面完全干燥凝固后进行下一步工序施工。

6、表面防护；

（1） 在已贴碳纤维的表面涂刷树脂结构胶；

（2） 向涂刷树脂结构胶的表面甩撒粗砂或米石；

（3） 采用M10砂浆做20－30mm厚的批荡，以形成碳纤维的保护层；

有防火要求时，应按有关规定对碳纤维表面采取防火保护措施；

7、 施工注意事项

（1） 材料的配置应根据随配随用的原则，一次的配置量不应超过规定的时限。

（2） 碳纤维板材粘贴完毕后24小时内严禁扰动，达到加固效果后，严禁其他安装单位对碳纤维有任何的人为损伤。

（3） 碳纤维片材为导电材料，使用时尽量远离气设备及电源；

（4） 使用中应尽量避免碳纤维片材的弯折；

（5） 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；

（6） 树脂的配制和使用场所，应保持通风良好；

（7） 现场工作人员应穿好工作服，同时还应佩戴口罩和手套，现场严禁抽烟。

（8） 施工气温不得低于5℃。

8、使用工具：

电锤、小平凿、砂轮角磨机、低速搅拌器、滚筒、漆刷。

辅料：

丙酮， 碳纤维， 石英砂（200目）， 砂轮片，船用漆刷，脱脂棉 ， 手套 ， 口罩， 防护眼镜，耳塞

9、加固效果检测

(1)工程验收时必须按有关规定，提供材料的合格证明或检测报告。

(2)每道工序结束后均应按工艺要求进行检验，作好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。

(3)施工结束后的现场验收以评定碳纤维布于混凝土之间的粘结质量为主，如出现粘贴不密实现象，应采取针管注胶的方法进行补救。

七. 结论和建议

（1） 用碳纤维加固混凝土结构效果良好，抗变形能力明显提高，与其它传统加固方法有不改变原结构构件尺寸、不增加自重、施工方便等优势。

（2） 碳纤维的粘贴质量直接影响加固效果。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。