砼结构碳纤维补强加固施工工法
完成单位：武汉建工第二建筑有限公司
主要完成人：张海波、刘阳、于文轩、杨斌、王萍
1．前言
近年来，由于受施工质量及各种自然环境、人为因素的综合影响，已建成的混凝土结构可能会出现承载力不足、混凝土表面裂缝等问题，影响结构的正常使用。这些问题大部分是能通过加固改造解决的。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，以达到结构及构件加固补强的目的，是近年来应用比较先进的加固方法。我公司自1999年承担湖北省建设厅“碳纤维用于混凝土结构加固应用研究”课题后，通过若干年工程的检验，对该项施工工艺运用娴熟，特将此编写为工法。
 
2．工法特点
2．1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。
2．2 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。
2．3 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。
2．4 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。
2．5 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。
3．适用范围
工业与民用建筑中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙结构，桥梁涵洞、隧道、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、池罐侧壁等，因结构损伤承载力不足及改变，且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、补强。
 
4．工艺原理
碳纤维加固是采用碳纤维片材（抗拉强度极高的碳纤维丝在高温下“拉拔”成型，单向排列成束，并经环氧树脂胶预浸而成的碳纤维增强复合片材），以环氧树脂作为胶结材料，将纤维片材沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损结构上，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。
 
5．施工工艺流程及操作要点
5．1 工艺流程
 
 
5．2 操作要点
5．2．1 施工准备
1．应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．应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．应对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等做好施工前的物质准备工作。
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。当环境温度低于5℃时，应采用适用于低温环境的配套树脂或采取升温措施。
5．2．2 卸荷
 加固前，应根据设计要求对加固构件进行卸载。
5．2．3 构件表面处理
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，需进行必要处理。
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．应按设计要求对裂缝进行灌浆或封闭处理：缝宽小于0.20mm 的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹密闭；大于或等于0.20mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。
5．对贴片范围的定位、划墨线、按修复、补强设计要求进行。
6．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，如图5.2.3-1所示。圆化半径对于梁不应小于20mm；对于柱不应小于25mm。
 
 
 
 


 

1—构件截面外表面；2—碳纤维材料； r—棱角圆化半径
图5.2.3-1 构件截面棱角的圆化打磨
   7．清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。
5．2．4 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，一次调和量应以在可使用时间内用完为准，超过可使用时间不得再用。
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，尽快进行下一工序的施工。
5．2．5 找平
1．应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、起拱）等）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，尽快进行下一工序的施工。
5．2．6 涂底胶
    找平后，再涂一层底胶，然后进入下一道工序。
5．2．7 粘贴碳纤维片材
1．应按下列步骤和要求粘贴碳纤维布：
1）应按设计要求的尺寸剪裁碳纤维布。
2）应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滚压，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。
4）多层粘贴时应重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴。
5）应在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
2．应按下列步骤和要求粘贴碳纤维板：
1）应按设计要求的尺寸裁剪碳纤维板，并按产品生产厂提供的工艺规定配制粘结树脂。
2）应将碳纤维板表面擦拭干净至无粉尘。当需粘贴两层时，底层碳纤维板的两面均应擦拭干净。
3）擦拭干净的碳纤维板应立即涂刷粘结树脂，树脂层应呈突起状，平均厚度不应小于2mm。
4）应将涂有粘结树脂的碳纤维板用手轻压贴于需粘贴的位置。用橡皮滚筒顺纤维方向均匀平稳压实，使树脂从两边挤出，保证密实无孔洞。当平行粘结多条碳纤维板时，两条板带之间的空隙不应小于5mm。
5）需粘贴两层碳纤维板时，应连续粘贴。当不能立即粘贴时，再开始粘贴前对底层碳纤维板重新进行清理。
3．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。
5．碳纤维片材的截断位置对板不小于1/4跨度，对梁不小于1/3跨度。
5．2．8 表面防护
1．加固后的碳纤维表面应进行抹灰保护。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。
2．当设计有耐火极限的要求时，按选用的防火涂料进行施工，并保证防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘结。
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，每班组约10～12 人，其中管理人员4 人（工长、技术、质量、安全各1 人），专业工人6～8 人,每天粘贴7～10㎡。
 
6．材料与设备
6．1 材料
6．1．1 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．碳纤维布的抗拉强度应按纤维的净截面面积计算，净截面面积取碳纤维布的计算厚度乘以宽度。碳纤维布的计算厚度取碳纤维布的单位面积质量除以碳纤维密度。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/㎡。在施工质量有可靠保证时，单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量可提高到600g/㎡。
3．碳纤维板的性能指标应按板的截面（含树脂）面积计算，截面（含树脂）面积取实测厚度乘以宽度。碳纤维板的厚度不宜大于2.0mm，宽度不宜大于200mm，纤维体积含量不宜小于60％。
4．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。
6．1．2 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不同季节施工的需要。
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表7.1-2、表7.1-3、表7.1-4的要求。
6．1．3 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．选用的防火材料及其处理方法，应使加固后的建筑物达到要求的防火等级。
3．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。
6．1．4 其他材料
    在受弯加固和受剪加固时，被加固的混凝土结构构件，其现场实测混凝土强度等级不得低于C15，且混凝土表面的正拉粘结强度不得低于1.5MPa。采用封闭粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时，混凝土强度等级不应低于C10。
6．2 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、滚洞刷子、搅拌器、防护眼镜、橡胶手套、口罩等。
 
7．质量控制
7．1 材料的质量应符合下列指标：
表7.1-1 碳纤维片材的主要力学性能指标

性能项目
碳纤维布
碳纤维板
抗拉强度标准值
≥
≥
弹性模量
≥
≥
伸长率
≥
≥

表7.1-2 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7.1-3 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7.1-4 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

7．2 碳纤维应贴于梁的受拉区的下缘，如需要贴于梁侧面时，仅限于1/4梁高的范围，对侧面的碳纤面积应乘以折减系数。
7．3 碳纤维粘贴层数不宜层数过多；对多层碳纤维应考虑共同工作系数的折减，碳纤维层数过多将导致混凝土结构的脆性破坏。
7．4 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。对于柱的抗震加固时，搭接长度不应小于150mm，各条带搭接位置应相互错开。
7．5气温在5℃以下、相对湿度RH＞85 %、混凝土表面含水率在8%以上、有结露的可能时，无有效措施不得施工。
7．6 施工过程中应避免碳纤维片材弯折。
7．7 碳纤维片材的实际粘贴面积不应少于设计面积，位置偏差不应大于10mm。
7．8 碳纤维片材与混凝土之间的粘贴质量，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％。当碳纤维的空鼓面积不大于10000时，可采用针管注胶的方法进行修补；当空鼓面积大于10000，宜将空鼓部位的碳纤维片材切除，重新搭接贴上等量的碳纤维片材，搭接长度不应小于100mm。
7．9 碳纤维片材加固混凝土结构施工质量的现场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表面面积计，500以下工程取一组试样，500至1000 工程取两组试样，1000 以上工程每1000 取两组试样。试样应由检验人员随机抽取，试样间距不得小于500mm。
7．10 应对碳纤维片材配套底树脂类粘结材料单层或复合涂层与混凝土之间的正拉粘结强度进行测定。测定方法见《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003。
         
8．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：
8．1工长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。
8．2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。
8．3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。
8．4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。
8．5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。
8．6树脂的配置和使用场所应保持通风良好。
 
9．环保措施
9．1 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。
9．2 废弃的碳纤维片材及其配套的粘贴材料，不可随意丢弃，应遵循相关的规定执行。
 
10．效益与施工效率分析
10．1   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，无需任何夹具、模板和支撑，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。因此，用碳纤维片修复补强混凝土结构的综合造价将低于传统的补强方法，经济效益视具体工程情况而定，越是复杂结构其效益将愈明显。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，而粘钢加固则需做定期防锈、防腐处理。因此，碳纤维片修复补强技术具有明显的技术经济效益。
10．2  社会效益
由于碳纤维片材修复补强的施工简便、施工周期短、占用空间小，使施工对周围的影响小。例如：城市桥梁、大型公用设施、工业与民用建筑的维修，为了减少施工带来的损失，必要时在一定条件下还可在交通设施正常运营、工厂正常生产的情况下进行作业，因此有一定的社会效益。对受意外灾害，特别是地震灾害引发的房屋、桥梁等混凝土结构物的震损，用碳纤维片材快速修复，使城镇人民的生产、生活尽快恢复正常，则其社会效益和环境效益都将是巨大的。
 
11．应用实例
11．1 民意广场三号楼工程（1998年），框架剪力墙结构，地下两层，地上二十五层，总建筑面积11000。其中地下两层柱至地上四层柱，以及梁柱接头部位采用粘贴碳纤维补强加固，运用碳纤维面积500。
11．2 华工科技楼工程（2000年），框架剪力墙结构，地下一层，地上十三层，总建筑面积9000 。剪力墙、框架梁、板采用粘贴碳纤维补强加固，碳纤维粘贴面积1000。
11．3 宜昌滨江国际花园商住楼工程（2005年），框架剪力墙结构，地上十七层，建筑面积33796.8 。由于业主改变使用功能，地下二层至地上五层剪力墙、框架梁、柱均采用粘贴碳纤维补强加固，碳纤维粘贴面积600。
11．4 湖北省妇女儿童发展中心综合楼工程（2005年），框架剪力墙结构，地下一层，地上二十层，建筑面积27840 。由于业主改变使用功能，七～十七层板采用粘贴碳纤维进行补强加固，碳纤维粘贴面积800。
11．5 湖北省棉花检验中心实验室改扩建工程（2007年），框架结构，地上十层，总建筑面积5000 。原有结构一～八层柱、梁采用粘贴碳纤维进行补强加固。
    上述工程加固均通过专项验收，使用至今仍效果良好。