談碳纖維布與粘鋼組合在鋼筋砼梁柱結構加固中的應用

摘 要：文章通過工程實例，較為系統地講述了，碳纖維布與鋼板組合在鋼筋砼梁柱結構加固中的應用，表明了此種加固補強方法的有效性、選材的環保性及施工操作的簡便易行。

關鍵詞：碳纖維布；鋼板；砼結構加固

碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。我國的這項技術起步很晚，隨著我國經濟繁榮，建設事業的飛速發展，全國各地掀起了基礎設施、工業與民用建筑建設的高潮，現有建筑中存在原有設計荷載標準低，有些因使用功能的改變，難以滿足當前規范使用的需求，亟需進行維修、加固；相當比例由于設計、施工的問題或自然災害的打擊，造成結構破壞、承受能力降低，達不到安全使用要求，但又未達到必須全面摧毀拆除的程度，加固成了較為經濟的選擇。

常用加固補強的方法有多種，其中碳纖維布與粘鋼組合法加固法是繼增大砼截面、包鋼粘鋼之后的，目前應用較為普遍有效的一種新型加固技術。

1 實例工程項目概況

1.1 某教育中心項目的宿舍樓，為兩幢七層的鋼筋砼框架結構宿舍樓單體（建筑面積17839.3平方米），兩單體之間由鋼筋砼框架結構連廊相連（建筑面積為1032.2平方米），連廊的頂棚為單排柱支撐向兩側懸挑的廊帶式雨篷，一側為鋼筋砼板懸挑1.4m、一側為鋼筋砼格柵式小梁懸挑2.5m。

1.2 連廊頂棚結構施工完畢紙，砼達到設計強度后拆除模板支撐系統，2天后發現頂棚輕微傾向格柵梁一側，在懸挑板一側的立柱表面從上到下有多道肉眼可見水平裂縫，經量測寬達0.3-0.5mm。要求立即用鋼管在格柵梁一側采取了托撐處理，防止頂棚傾斜及立柱上橫縫的繼續發展。

1.3 經設計單位到現場查勘并驗算，兩側懸挑件的重量懸殊且錨入單排柱的鋼筋偏弱為主要原因，出具了采用碳纖維與角鋼鋼板組合的加固方案。

設計圖略去，加固設計說明如下：

（1）相關施工應符合砼結構加固設計規范（GB50367-2006）。（2）碳纖維布采用2層單向織物高強度I級分次粘貼，纖維方向與柱縱軸方向一致。（3）環形箍的纖維受力方向應與柱縱軸方向垂直，上下層靡靡之間搭接寬度不小于50mm。（4）構架柱四角采用L50x4角鋼包裹，根部三面采用L63x5角鋼，另一面采用-500x6鋼板包裹、5.8級M22錨栓連接。（5）柱根東側與屋面梁交接處采用-2000x200x10與L63x5角鋼焊接，焊縫高度6mm。（6）鋼材Q235鋼，焊條E43，焊縫高度6mm，角焊縫質量等級3級，對接焊縫質量等級2級。（7）BWL1全長采用2層外包碳纖維進行加固，梁兩端采用鋼板箍，其余范圍采用碳纖維環向箍。（8）施工之前需對柱截面棱角進行打磨圓化，圓化半徑不小于25mm。（9）施工完畢后應及時對纖維材料進行防護處理，避免暴露于陽光和空氣中。

2 加固工程作業內容

主要為碳纖維布粘貼，鋼板粘貼，化學錨栓等。

3 加固用膠介紹

3.1 本案用膠為上海某產品，分為粘鋼結構膠A、B組份；碳纖維浸漬膠A、B組份。

3.2 粘鋼結構膠A、B組份

3.2.1 WLB-400粘鋼膠系A、B雙組分改性環氧類結構膠，分常溫固化（WLB-400N）、低溫固化（WLB-400L）和潮濕環境固化（WLB-400D）三種類型的產品。具有粘接力、剪切力強，抗老化、耐介質（酸、堿、水）性能好、抗沖擊性能強，常溫固化、硬化過程收縮小、施工無流淌，不含揮發性溶劑、無毒以及施工方便等特點。

3.2.2 適用于改造工程中混凝土構件外部粘貼鋼板加固；土木工程中各種建筑材料的自粘和互粘；配膠比例：A、B組份配比為3：1。

3.3 碳纖維浸漬膠A、B組份

3.3.1 WLB-800系列碳纖維膠系A、B雙組份改性環氧類膠粘劑，由WLB-801底膠、WLB-802W修補膠、WLB-803浸漬膠組成。WLB-803浸漬膠具有粘度低、強度高，浸潤性、滲透性好，抗老化、耐介質（酸、堿、水）性能好，室溫固化、不含揮發性溶劑、無毒以及施工流淌少等特點。

3.3.2 適用于WLB-803浸漬膠主要用于加固構件表面碳纖維、玻璃纖維及其它纖維類片材的粘貼；配膠比例：A、B組份配比為3：1。

4 加固膠的使用要點及注意事項

4.1 粘鋼A、B組份結構膠

粘鋼加固施工要點：混凝土及鋼板表面處理→加固構件卸荷→配制WLB-400粘鋼結構膠→涂膠、粘貼→固定、加壓→固化→卸支撐→質量檢驗→防腐、封閉處理。

4.2 碳纖維A、B組份浸漬膠

碳纖維加固施工要點：加固設計→混凝土表面處理→配制并涂刷WLB-801底膠→配制WLB-802修補膠涂刮找平→配制WLB-803浸漬膠貼碳纖維布→固化養護→質量檢驗。

4.3 注意事項：施工環境通風、干燥，粘貼面潔凈、無油污；固化溫度不低于5攝氏度，環境溫度20-25攝氏度時固化時間不少于3天，平均溫度為10攝氏度時固化時間不少于7天；施工時必須具備手套、口罩、護目鏡等防護用品；若不慎弄到皮膚或衣物上，可用丙酮清洗并用大量清水沖洗；基不慎食用或濺入眼睛，應立即就醫。

4.4 運輸、儲存：本品屬無毒、非危險品，按一般化學建材運輸；運輸途中不得曝曬、雨淋或倒置；A、B兩組份應分開存放，避免混雜；本品常溫（25攝氏度）下干燥儲存，儲存期12個月。

5 主要施工方法

施工時遵循先粘貼碳纖維布，然后進行粘鋼及角鋼包粘施工作業。

5.1 碳纖維布粘貼施工

5.1.1 碳纖維布及粘結劑材質特點

重量輕，幾乎不增加原結構荷重；擁有比普通鋼材高10倍的高拉伸強度（詳見下表）；良好的抗腐蝕性能，不受鹽分及酸的腐蝕；可抗化學反應，耐高溫和低溫；可與鋼筋混凝土表面緊密接觸，并可配合形狀施工；施工方便，可縮短施工工期。

碳纖維布產品性能

碳纖維布配套膠材及找平材料力學性能指標

碳纖維布浸漬膠力學指標要求（不小于表中數值）

5.1.2 粘貼碳纖維布施工步驟及技術組織設計

施工準備→碳纖維布位置定位→結構面打磨→高壓空氣吹理浮灰→丙酮洗面→配制找平材料找平→配制底層膠并涂刷、碳纖維下料→底層膠固化，配制浸漬膠并涂刷、粘貼碳纖維布→粘結劑固化前，外表面噴砂防護。

5.1.3 具體做法

嚴格按加固設計及《混凝土結構加固設計規范GB50367-2006》、《結構加固修復用碳纖維片材》GB/T 20490-2008、國家標準《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》等相關規范與標準的要求，進行材料進場檢驗、各道工序的監督驗收以及各分項工程檢查認可。同時及時有針對性地做好施工技術交底與安全交底。首先按加固圖要求，用切割機切除部分格柵梁，進行卸荷。

材料：（1）粘粘碳纖維布粘結劑采用上海某專業廠家的WLB系列粘結膠、浸漬膠，A、B組份在使用前3：1進行調配攪拌均勻；（2）碳纖維片材亦采用上海某專業廠家產品，按設計要求現場剪裁。

粘貼準備：（1）在對指定格柵梁切割卸荷頂棚回復穩定后，對相應的梁柱構件面，鑿除粉刷層、清除表面松散浮渣。面層用角向磨光機打磨，直至完全露出原結構層混凝土嶄新面，平整度應達到5mm/m；構件轉角粘貼處須打磨成圓弧狀，圓弧半徑應不小于20mm。（2）打磨后用強力吹風機徹底清除表面粉塵。（3）清理打磨后的混凝土表面，若有超過10mm的凹陷處，應使用底膠調水泥修補找平，有高差或轉角部位，應抹成平滑的曲面。（4）粘貼前以丙酮清洗粘合面，并待其干燥。

配置粘結劑：（1）WLB膠按產品使用說明書規定和工藝配置，設專人負責。（2）容器內不得有油污、水漬，攪拌時避免雨水、灰塵進入容器。（3）按同一方向采用低速攪拌器進行攪拌，攪拌至均勻、無氣泡產生。（4）攪拌好須在10～60分鐘內使用完畢（不同的操作環境溫度，時間可有所調整）。

粘貼碳纖維：（1）將配置好的粘結劑涂抹在已經處理好的混凝土表面，厚度均勻，然后將碳纖維粘貼并固定于預定位置。（2）用專用的滾筒或塑料刮刀順纖維方向多次滾壓或刮壓，使粘結劑充分浸透碳纖維中，且使其平整、無氣泡，滾壓刮壓時不得損傷碳纖維布。（3）多層粘貼時，應在底層碳纖維表面浸漬膠干燥后立即進行下一層的粘貼。

搭接：碳纖維搭接應順纖維方向，搭接長度不得小于150mm。

防護：粘貼加固完成，最外層碳纖維外側浸漬膠完全固化前采用噴砂處理。

5.1.4 碳纖維布粘貼的檢查與驗收

（1）粘貼碳纖維布施工質量檢驗及驗收標準詳見下表：

施工質量檢驗及驗收標準

（2）粘結質量不符合要求需割除修補時，應沿空鼓邊沿，將空鼓部分的碳纖維割除，每邊向外緣擴展100mm用同樣碳纖維材料、同樣粘結劑，補貼在原處。抗拉強度達不到標準要求時，應將此部分碳纖維剝去重做。

5.2 粘鋼

5.2.1 粘鋼施工工藝

施工流程：粘貼面處理→加壓固定（根據實際情況及設計方案，有時免去卸荷步驟）→膠粘劑配制→涂膠和粘貼→固化（卸加壓固定系統）→檢驗→維護。

5.2.2 粘貼面處理

（1）混凝土面應鑿除粉飾層，清理油垢、污物，然后用角磨機打磨除去1-2mm厚表層，較大凹陷處用找平膠修補平整，打磨完畢用壓縮空氣吹凈浮塵，最后用棉布沾丙酮拭凈表面，待粘貼面完全干燥。（2）鋼板的粘貼面應用角磨機進行去糙、除銹處理，直至打磨出現光澤。使用前若潔凈僅用干布擦拭即可；否則需用棉布沾丙酮拭凈表面，待完全干燥后備用。

5.2.3 加壓固定（根據實際情況及設計方案，有時免去卸荷步驟）

（1）加固構件所承受的活荷載如人員、物件宜暫時移去，盡量減小施工臨時荷載。（2）加壓固定宜采用千斤頂、墊板、頂桿所組成的系統，該系統不僅能產生較大壓力，而且加壓固定的同時卸去了部分加固構件承擔的荷載，能更好的使后粘鋼板與原構件協同受力，加固效果好，施工效率高。（3）加壓固定也可采用膨脹螺栓、角鋼、墊板所組成的系統，該系統需要在加固構件上合適位置鉆孔固定膨脹螺栓，僅能產生較小壓力，不能產生卸荷效果，適合側面鋼板的粘貼。

5.2.4 膠粘劑配制

WLB粘鋼膠分為A、B組份，取潔凈容器（塑料或金屬盆，不得有油污、水、雜質）和稱重衡器按說明書配合比混合，并用攪拌器攪拌約5-10分鐘至色澤均勻為止。攪拌時最好沿同一方向攪拌，盡量避免混入空氣形成氣泡，配置場所宜通風良好。

5.2.5 涂膠和粘貼

膠粘劑配制好后，用膩刀涂抹在已處理好鋼板面上（或混凝土表面），膠斷面宜成三角形，中間厚3毫米左右，邊緣厚1毫米左右，然后將鋼板粘貼在混凝土表面，用準備好的固定加壓系統固定，適當加壓，以膠液剛從鋼板邊縫擠出為度。

5.2.6 固化、卸加壓固定系統

5.2.7 檢驗

（1）WLB系列膠粘劑操作性能較佳，正常操作可達到100%的飽滿度。檢驗時可用小錘輕擊粘貼鋼板，從音響判斷粘貼效果，也可采用超聲儀檢測。若錨固區有效粘結面積少于90%，非錨固區有效粘結面積少于70%，應剝離鋼板，重新粘貼。（2）對重要構件也可采用載荷檢驗，一般采用分級加載至正常荷載的標準值，檢測結果較直觀、可靠。此種檢測費用較高，耗時較長。需用的工具、料具有千斤頂或配重（常用沙袋、磚塊）、百分表、裂縫顯微鏡、衡器。

5.3 錨栓施工

（1）鉆孔孔徑及濃度須與錨栓相匹配，用硬毛刷刷孔壁再用潔凈的壓縮空氣吹出灰塵，反復進行不少于3次。如有必要可用丙酮或酒精擦凈孔壁。（2）保證螺栓表面潔凈、干燥、無油污。（3）確認玻璃管錨固包無外觀破損、藥劑凝固等異常現象，將其圓頭朝內放入錨固孔并推至孔底。（4）使用電錘或電鉆及專用安裝夾具，將螺桿強力旋轉插入直至孔底，擊碎玻璃管并強力混合錨固藥劑。電錘或電鉆的轉速應調至慢速檔，且不應采用沖擊方式。（5）當旋至孔底或螺栓上標志位置時，立刻停止旋轉，取下安裝夾具，凝膠后至完全固化前避免擾動，超時旋轉將導致膠液流失，影響錨固力。（6）外觀檢查固化是否正常。重要部位的螺栓需進行現場抗拔試驗，檢驗其錨固力是否滿足設計要求；合格后方可進行下一道工序的施工。（7）錨固質量檢查及驗收。a.錨孔質量檢查：錨孔的位置、直徑、孔深及垂直度；錨孔的清孔情況；錨孔周圍混凝土是否存在缺陷，是否已基本干燥，環境溫度是否符合施工工藝要求；鉆孔是否傷及原結構鋼筋；b.錨固質量檢查：對照加固圖紙檢查錨固位置、尺寸、垂直度及膠漿外觀固化情況等；用鐵釘刻劃檢查膠漿固化程度；以手搖方式初步檢驗是否錨實；錨固作業的驗收，可依照《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2004中的相關規定，當需進行現場拉拔檢驗時，試件的取樣規定可以《規程》中“附錄A”中要求為準。

6 結束語

經過監理方及施工方的共同努力，對原料質量認真把關、嚴格遵照科學的工藝流程、強化工序的監督檢查與驗收，最終確保了本案加固工程的順利實施，符合設計與規范，達到加固要求，至今未再見產生可見裂縫。

參考文獻

[1]GB50367-2006.混凝土結構加固設計規范[S].

[2]JGJ145-2013.混凝土結構后錨固技術規程[S].

作者簡介：環軍，男，國家注冊監理工程師、一級注冊建造師、高級工程師。大學畢業后一直從事工業與民用建筑工程的項目管理與研究。