工程案例
業務范圍
砼結構碳纖維補強加固施工工法
發布時間：2014-07-15
1．前言
近年來，由于受施工質量及各種自然環境、人為因素的綜合影響，已建成的混凝土結構可能會出現承載力不足、混凝土表面裂縫等問題，影響結構的正常使用。這些問題大部分是能通過加固改造解決的。碳纖維（carbon fiber reinforced polymer簡稱CFRP）具有抗拉強度高、密度小、耐腐蝕性和耐久性好等優點。結構碳纖維加固方法是利用樹脂類粘結材料將碳纖維片材（碳纖維布和碳纖維板的總稱）粘結于混凝土表面，以達到結構及構件加固補強的目的，是近年來應用比較先進的加固方法。我公司自1999年承擔湖北省建設廳“碳纖維用于混凝土結構加固應用研究”課題后，通過若干年工程的檢驗，對該項施工工藝運用嫻熟，特將此編寫為工法。
2．工法特點
2．1補強材料薄、重量輕，強度高：碳纖維片材基本不增加原結構尺寸及自身重量。其抗拉強度是普通HRB335鋼的7～10 倍，且具有優異的補強效果。
2．2 抗腐蝕：能有效地防護構件的混凝土和鋼筋免受酸、堿、鹽、水等介質的腐蝕，應用面廣。
2．3 耐久性能好，耐磨損、抗老化：碳纖維片與環氧樹脂膠結材料本身及經其補強的混凝土構件可以長期承受紫外線輻射。碳纖維復合材料的疲勞強度約為靜荷強度的70%～80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。
2．4 保持結構原狀，外形美觀：碳纖維片材便于隨構件原形裁剪、貼附。修復補強不增加構件高寬尺寸及體積，且表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材料。
2．5 施工簡便，快捷：傳統加固補強施工工藝如粘鋼、外包混凝土方法必須進行大量混凝土剔鑿、鋼筋綁扎、焊接、澆筑混凝土以及大型機械設備吊裝等作業，而碳纖維片加固補強施工對施工空間要求很低，便于在狹小空間作業，施工快捷，對周圍的干擾很小。
3．適用范圍
工業與民用建筑中鋼筋混凝土梁、板、柱、剪力墻結構，橋梁涵洞、隧道、襯砌、鋼筋混凝土煙囪、筒倉、池罐側壁等，因結構損傷承載力不足及改變，且鋼筋混凝土結構強度等級不小于C15，且長期使用的環境溫度不高于60℃的鋼筋混凝土結構，都可采用碳纖維加固施工工法加固、補強。
4．工藝原理
碳纖維加固是采用碳纖維片材（抗拉強度極高的碳纖維絲在高溫下“拉拔”成型，單向排列成束，并經環氧樹脂膠預浸而成的碳纖維增強復合片材），以環氧樹脂作為膠結材料，將纖維片材沿受力方向或垂直于裂縫方向粘貼在受損結構上，膠結材料作為它們之間的剪力連接媒介，形成新的復合體，使增強貼片與原有鋼筋共同作用，增大了結構抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結構的強度，延性及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續發展，從而起到加固補強的作用。必要時也可交叉粘貼單向纖維片材。整個工藝的關鍵在于碳纖維片粘貼的緊密性與牢固性，以保證與原結構形成整體，共同工作。
5．施工工藝流程及操作要點
5．1 工藝流程
5．2 操作要點
5．2．1 施工準備
1．應認真閱讀設計施工圖。在進行混凝土表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。
2．應根據施工現場實際情況和加固構件混凝土的補強荷載要求，制定相應施工方案和施工計劃。
3．應對所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機具等做好施工前的物質準備工作。
4．進場后的碳纖維片材、配套樹脂應抽樣送檢，合格后方可施工。
5．施工宜在環境溫度為5℃以上的條件下進行，并應符合配套樹脂要求的施工使用溫度。當環境溫度低于5℃時，應采用適用于低溫環境的配套樹脂或采取升溫措施。
5．2．2 卸荷
加固前，應根據設計要求對加固構件進行卸載。
5．2．3 構件表面處理
1．將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈并達到結構密實部位。
2．檢查外露鋼筋是否銹蝕，如有銹蝕，需進行必要處理。
3．對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，用高于原構件混凝土強度的環氧砂漿進行修補、復原、達到表面平整。
4．應按設計要求對裂縫進行灌漿或封閉處理：縫寬小于0.20mm 的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂抹密閉；大于或等于0.20mm 的裂縫用環氧樹脂灌縫。
5．對貼片范圍的定位、劃墨線、按修復、補強設計要求進行。
6．被粘貼的混凝土表面應打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質，直至完全露出混凝土結構新面。轉角粘貼處應進行導角處理并打磨加以圓化，如圖5.2.3-1所示。圓化半徑對于梁不應小于20mm；對于柱不應小于25mm。
1—構件截面外表面；2—碳纖維材料； r—棱角圓化半徑
圖5.2.3-1 構件截面棱角的圓化打磨
7．清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。
5．2．4 涂底膠
1．把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放人容器內，用攪拌器拌合均勻，一次調和量應以在可使用時間內用完為準，超過可使用時間不得再用。
2．在底層涂料中嚴禁添加溶劑。含有溶劑的毛刷或用溶劑弄濕了的滾筒不得使用。
3．用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后才能進行下一道工序的施工。
4．底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類似結露的露珠一樣）要用砂布或角磨機磨平后，再補涂底層涂料。
5．宜在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
5．2．5 找平
1．應對混凝土表面凹陷部位用環氧膩子填補平整，不應有棱角。
2．內角（段差、起拱）等）要用環氧膩子填補，使之平順。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。
3．宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
5．2．6 涂底膠
找平后，再涂一層底膠，然后進入下一道工序。
5．2．7 粘貼碳纖維片材
1．應按下列步驟和要求粘貼碳纖維布：
1）應按設計要求的尺寸剪裁碳纖維布。
2）應按產品生產提供的工藝規定配制浸漬樹脂，并均勻涂抹于粘貼部位。
4）多層粘貼時應重復上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行下一層粘貼。
5）應在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
2．應按下列步驟和要求粘貼碳纖維板：
1）應按設計要求的尺寸裁剪碳纖維板，并按產品生產廠提供的工藝規定配制粘結樹脂。
2）應將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵。當需粘貼兩層時，底層碳纖維板的兩面均應擦拭干凈。
3）擦拭干凈的碳纖維板應立即涂刷粘結樹脂，樹脂層應呈突起狀，平均厚度不應小于2mm。
4）應將涂有粘結樹脂的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩壓實，使樹脂從兩邊擠出，保證密實無孔洞。當平行粘結多條碳纖維板時，兩條板帶之間的空隙不應小于5mm。
5）需粘貼兩層碳纖維板時，應連續粘貼。當不能立即粘貼時，再開始粘貼前對底層碳纖維板重新進行清理。
3．加固時，碳纖維片材延伸至支座邊緣應滿足粘貼延伸長度的要求（《混凝土結構加固設計規范》GB50367-2006）。
4．碳纖維片材的纖維方向宜與構件軸向垂直。
5．碳纖維片材的截斷位置對板不小于1/4跨度，對梁不小于1/3跨度。
5．2．8 表面防護
1．加固后的碳纖維表面應進行抹灰保護。在碳纖維表面的樹脂固化之前，撒一層干燥粗砂，再采取抹灰措施。
2．當設計有耐火極限的要求時，按選用的防火涂料進行施工，并保證防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結。
5．3 施工注意事項
5．3．1 采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應由專業施工隊伍進行施工。
5．3．2 施工過程中應避免碳纖維片材彎折。
5．4 勞動力組織
視現場工期及施工面積確定班組數，每班組約10～12 人，其中管理人員4 人（工長、技術、質量、安全各1 人），專業工人6～8 人,每天粘貼7～10?。
6．材料與設備
6．1 材料
6．1．1 碳纖維片材
1．碳纖維片的抗拉強度、彈性模量以及延性等性能指標須符合設計要求和產品質量標準。
2．碳纖維布的抗拉強度應按纖維的凈截面面積計算，凈截面面積取碳纖維布的計算厚度乘以寬度。碳纖維布的計算厚度取碳纖維布的單位面積質量除以碳纖維密度。單層碳纖維布的單位面積碳纖維質量不宜低于150g/?，且不宜高于450g/?。在施工質量有可靠保證時，單層碳纖維布的單位面積碳纖維質量可提高到600g/?。
3．碳纖維板的性能指標應按板的截面（含樹脂）面積計算，截面（含樹脂）面積取實測厚度乘以寬度。碳纖維板的厚度不宜大于2.0mm，寬度不宜大于200mm，纖維體積含量不宜小于60％。
4．碳纖維片材的組其力學性能指標應滿足表7.1-1的要求。測定方法參照現行國家標準《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》GB/T3354測定。
6．1．2 配套樹脂類粘結材料
1．粘結劑要有足夠的粘結性能，工藝過程中各部位所使用的環氧樹脂膠結材料的種類、型號，應根據施工時的溫度、濕度進行選擇。應正確掌握主劑和固化劑的配比，使滲透性、粘稠度、固化速度等方面能滿足不同季節施工的需要。
2．采用碳纖維片材對混凝土結構加固時，應采用與碳纖維片材配套的底層樹脂、找平材料、浸漬樹脂或粘結樹脂。
3．配套樹脂類粘結材料的主要性能應滿足表7.1-2、表7.1-3、表7.1-4的要求。
6．1．3 表面防護材料
1．對已加固完的結構表面應進行防護處理。表面防護材料應與浸漬樹脂或粘結樹脂可靠粘結。
2．選用的防火材料及其處理方法，應使加固后的建筑物達到要求的防火等級。
3．當被加固的結構處于特殊環境時，應根據具體情況選用有效的防護材料。
6．1．4 其他材料
在受彎加固和受剪加固時，被加固的混凝土結構構件，其現場實測混凝土強度等級不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘結強度不得低于1.5MPa。采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應低于C10。
6．2 主要機具：角向磨光機、砂紙、剪刀、鑿子、榔頭、臺秤、卷尺、水平儀、鉛錘、專用滾筒、刮板、攪拌容器、橡膠抹子、滾洞刷子、攪拌器、防護眼鏡、橡膠手套、口罩等。
7．質量控制
7．1 材料的質量應符合下列指標：
表7.1-1 碳纖維片材的主要力學性能指標
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性能項目
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碳纖維板
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抗拉強度標準值
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≥
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≥
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彈性模量
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≥
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≥
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伸長率
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≥
|
≥
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表7.1-2 底層樹脂的性能指標
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性能項目
|
性能指標
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試驗方法
|
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正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
|
參見現行標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2003
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表7.1-3 找平材料的性能指標
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性能項目
|
性能指標
|
試驗方法
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|
正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
|
參見現行標準《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2003
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表7.1-4 浸漬樹脂和粘結樹脂的性能指標
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性能項目
|
性能指標
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試驗方法
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拉伸剪切強度
|
≥10MPa
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GB7124-1986
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拉伸強度
|
≥30MPa
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GB/T2568-1995
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壓縮強度
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≥70MPa
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GB/T2569-1995
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彎曲強度
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≥40MPa
|
GB/T2570-1995
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|
正拉粘結強度
|
≥2.5MPa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值
|
CECS146:2003
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彈性模量
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≥1500MPa
|
GB/T2568-1995
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|
伸長率
|
≥1.5%
|
GB/T2568-1995
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7．2 碳纖維應貼于梁的受拉區的下緣，如需要貼于梁側面時，僅限于1/4梁高的范圍，對側面的碳纖面積應乘以折減系數。
7．3 碳纖維粘貼層數不宜層數過多；對多層碳纖維應考慮共同工作系數的折減，碳纖維層數過多將導致混凝土結構的脆性破壞。
7．5氣溫在5℃以下、相對濕度RH＞85 %、混凝土表面含水率在8%以上、有結露的可能時，無有效措施不得施工。
7．6 施工過程中應避免碳纖維片材彎折。
7．7 碳纖維片材的實際粘貼面積不應少于設計面積，位置偏差不應大于10mm。
7．8 碳纖維片材與混凝土之間的粘貼質量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法檢查，總有效粘貼面積不應低于95％。當碳纖維的空鼓面積不大于10000時，可采用針管注膠的方法進行修補；當空鼓面積大于10000，宜將空鼓部位的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖維片材，搭接長度不應小于100mm。
7．9 碳纖維片材加固混凝土結構施工質量的現場檢驗應在已完成碳纖維片材粘貼加固的結構表面上進行。按實際粘貼碳纖維片材的加固結構表面面積計，500以下工程取一組試樣，500至1000 工程取兩組試樣，1000 以上工程每1000 取兩組試樣。試樣應由檢驗人員隨機抽取，試樣間距不得小于500mm。
7．10 應對碳纖維片材配套底樹脂類粘結材料單層或復合涂層與混凝土之間的正拉粘結強度進行測定。測定方法見《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》CECS146:2003。
8．安全措施
大多數膠粘劑中含有有機溶劑和有損人體健康的化學物品，因此在整個加固補強過程中，都必須注意安全和勞動保護，主要防護措施如下：
8．1工長要每天進行班前安全教育和隨時安全檢查，充分確認材料的使用方法、保管及管理方式后才可施工。
8．2安排整理好通道、施工架等現場作業條件，施工人員必備的口罩、護目鏡、橡皮手套、安全帽、安全帶等必須嚴格穿戴。
8．3使用有機溶劑并在密閉的場所施工，應有通風換氣措施，并嚴禁吸煙，避免火災。
8．4底漆、環氧樹脂、涂料等若沾到皮膚，應以肥皂水洗凈，如碰到眼睛，應即以大量清水沖洗，并緊急送到醫院治療。
8．5碳纖維片材為導電材料，施工碳纖維片材時應遠離電氣設備和電源，或采取可靠的防護措施，并配備有滅火器以便救護。
8．6樹脂的配置和使用場所應保持通風良好。
9．環保措施
9．1 碳纖維片材配套樹脂的原料應密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。
9．2 廢棄的碳纖維片材及其配套的粘貼材料，不可隨意丟棄，應遵循相關的規定執行。
10．效益與施工效率分析
10．1 技術經濟效益
碳纖維片材的重量輕、強度高，隨形性好，能適應各種復雜結構外形的修復補強，基本不增加結構重量；碳纖維修復補強工藝施工簡便，無需任何夾具、模板和支撐，雖然碳纖維本身的價格高于其他材料，但施工總費用較其他材料有優勢。它免除了鋼板補強、混凝土補強等傳統方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養護、拆模等繁雜的工序和輔助設施，而且占用空間小，即使在高空作業，也只需設置簡易工作平臺即可。因此，用碳纖維片修復補強混凝土結構的綜合造價將低于傳統的補強方法，經濟效益視具體工程情況而定，越是復雜結構其效益將愈明顯。另外，碳纖維片補強有非常良好的抗腐蝕性能和耐久性，不需作任何防腐處理，而粘鋼加固則需做定期防銹、防腐處理。因此，碳纖維片修復補強技術具有明顯的技術經濟效益。
10．2 社會效益
由于碳纖維片材修復補強的施工簡便、施工周期短、占用空間小，使施工對周圍的影響小。例如：城市橋梁、大型公用設施、工業與民用建筑的維修，為了減少施工帶來的損失，必要時在一定條件下還可在交通設施正常運營、工廠正常生產的情況下進行作業，因此有一定的社會效益。對受意外災害，特別是地震災害引發的房屋、橋梁等混凝土結構物的震損，用碳纖維片材快速修復，使城鎮人民的生產、生活盡快恢復正常，則其社會效益和環境效益都將是巨大的。
11．應用實例
11．1 民意廣場三號樓工程（1998年），框架剪力墻結構，地下兩層，地上二十五層，總建筑面積11000。其中地下兩層柱至地上四層柱，以及梁柱接頭部位采用粘貼碳纖維補強加固，運用碳纖維面積500。
11．2 華工科技樓工程（2000年），框架剪力墻結構，地下一層，地上十三層，總建筑面積9000 。剪力墻、框架梁、板采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積1000。
11．3 宜昌濱江國際花園商住樓工程（2005年），框架剪力墻結構，地上十七層，建筑面積33796.8 。由于業主改變使用功能，地下二層至地上五層剪力墻、框架梁、柱均采用粘貼碳纖維補強加固，碳纖維粘貼面積600。
11．4 湖北省婦女兒童發展中心綜合樓工程（2005年），框架剪力墻結構，地下一層，地上二十層，建筑面積27840 。由于業主改變使用功能，七～十七層板采用粘貼碳纖維進行補強加固，碳纖維粘貼面積800。
11．5 湖北省棉花檢驗中心實驗室改擴建工程（2007年），框架結構，地上十層，總建筑面積5000 。原有結構一～八層柱、梁采用粘貼碳纖維進行補強加固。
上述工程加固均通過專項驗收，使用至今仍效果良好。
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