碳纖維加固技術在建筑加固工程中的運用

馬 峰 長春市長發置業有限公司

1 前言

碳纖維加固技術屬于新型加固修補技術，主要是是指通過優化與改進環氧樹指類型膠結材料，將碳纖維片粘貼于混凝土表面，從而提升建筑結構的承載能力，以實現對建筑結構加固與補強的做法。此技術使用的是具備高耐水性的無機高分子纖維，化學腐蝕抵御性能良好，適用于樓面荷載增大、承載力不足的樓宇等建筑的加固施工中。目前，國際上此技術已得到廣泛應用，我國也陸續引入此技術并逐步應用于建筑結構加固施工當中，從以往的施工成效來看，碳纖維加固技術經濟性強、加固效果顯著。因此，值得對碳纖維加固技術展開探討研究，從而確保建筑加固工程中此技術應用成效能夠得到最大化發揮。

2 碳纖維材料

碳纖維增強復合材料具備補強與加固功能，具有高強度與強彈性，可單排成束，經環氧樹脂浸漬制作而成的碳纖維板或未經浸漬的碳纖維布均屬于碳纖維片材。將此片材貼粘于建筑結構表面，能夠增強此結構件的抗剪能力以及抗彎性能，可提高工程項目質量，工程壽命得到延長。碳纖維片材具備高達2400MPa～3400MPa 的拉抻強度，比普通碳素鋼板的拉伸強度更大，利于提升建筑工程結構的承載能力。片材碳纖維片有超高等、高等、中等三種模量等級，碳纖維片具備重量輕、結構穩定性強、不易受化學物質影響、抗熱及抗寒性能良好等諸多優點。混凝土結構加固修補時所應用的配套樹脂系統，可增強粘結底層涂料應用效果，能夠有效填充混凝土表面的孔隙。

3 碳纖維加固技術的適用范圍

碳纖維加固技術可應用于多種類型建筑、不同結構位置的加同修補施工中，既能應用于梁柱、屋架、筒體等結構，也適用于橋墩及橋梁的加固。具體可應用于砌體抗震加固、既有鋼筋混凝土加固、構件抗彎或抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、樓面荷載增大及樓宇增層加固，也可用于承載力加固以及樓板開裂、樓面荷載增大、剪力墻開洞等加固施工，此外，公路橋墩加固、橋梁斷裂加固以及舊橋或水塔加固等均可應用此方法。

4 碳纖維加固的技術方式及應用要求

4.1 加固方式

梁板構件受拉區的受彎加固中可應用粘貼碳纖維片加固方式，要確保纖維方向與加固處的受拉方向保持一致。柱構件的受剪加固可應用三種碳纖維片材粘貼方法：一是封閉式粘貼；二是U形粘貼；三是側面粘貼。加固時應確保纖維方向始終垂直于構件軸向。抗震加固中，主要采用封閉式加固方法，且纖維方向應垂直于柱軸。混凝土結構加固時，也應選用粘貼碳纖維片材的方式。

4.2 碳纖維片材的應用要求

4.2.1 應力及抗拉強度要求

混凝土加固時應根據國家標準，結合概率理論，利用極限狀態設計法計算與驗算承載極限狀態，通過檢測鋼筋及混凝土材料強度，結合國家現行標準確定材料強度設計指標，以構件極限狀態下的應變力大小，結合彈性應力應變關系確定碳纖維片材的應力，選用極限抗拉強度高于95%的碳纖維片材。

4.2.2 荷載及混凝土強度等級要求

結構或構件加固時如采用粘貼碳纖維片材加固法，應考慮加固對其他構件的影響，且結構加固時應將結構上的活荷載卸除，若無法完全卸載則應考慮二次受力影響。受彎及受剪加固時，混凝土結構及構件的強度等級應高于C15，混凝土柱加固時若采用封閉粘貼碳纖維片材方式，應確保混凝土強度高于C10。

5 建筑加固工程中碳纖維加固技術的應用實例分析

5.1 工程概況

長春拖拉機廠工業遺址改造項目屬于文物修繕加固工程，此建筑建設年代久遠，老化較為嚴重，為恢復建筑原貌，確保建筑特征彰顯，需要在設計意圖明確的基礎上運用傳統材料、工藝及做法施工。本項目一期工程中的2 號及3 號廠房需要做內外部修繕改造，總修繕面積為57979.11m2，由于本工程屬于EPC 項目，加之工程期限較短，屋面加固及3 號廠房室內新增建筑施工中需要交叉作業，因而施工難度較高。

5.2 施工方案介紹

本工程劃分為多個施工階段，為保證工程進度，2號及3號廠房應同步施工，且將施工分為屋面加固、屋面支撐、屋面拆除以及安裝等多個施工階段。屋面加固施工中，首先應鑿除失效混凝土，清除混凝土表面碎屑并采用人工除銹方式處理鋼筋，而后制作與安裝模板，利用CGM灌漿料加固混凝土梁，養護之后應用碳纖維加固技術實施屋面加固，利用粘貼法進一步加固屋面，從而為后續施工奠定基礎。

5.3 粘貼碳纖維加固技術實施過程

5.3.1 定位放線

碳纖維加固技術應用前應詳細分析施工設計圖，了解需加固的范圍及具體位置，而后在構件之上做彈線處理，標明粘貼位置處的輪廓線，粘貼位置外圍要留出20mm以上的加寬打磨區。

5.3.2 基層處理

（1）劣質砼鑿除與修復。全面清除待加固表面已剝落或被腐蝕的劣質混凝土，使混凝土結構層裸露，而后利用修復材料修平混凝土表面。根據設計要求灌漿或封閉處理混凝土表面之上的裂縫。

（2）打磨與平整。劣質混凝土全部清除后，將需粘貼碳纖維材料的區域打磨平整，將附著于其上的浮漿或油污全部清除，使混凝土結構表面完全露出，將其表面平整度應控制在mm/m 之內。需粘貼的轉角處要做導角處理，將之打磨成為圓弧狀，但圓弧半徑不可超過20mm。

（3）表面清理與干燥。利用強力吹風機吹除混凝土表面上的殘渣，并利用丙酮清潔表面，確保混凝土表面處于干燥狀態。若混凝土表面含水率高于4%，或是環境溫度低于5℃，需要通過有效措施處理以降低混凝土含水率或提高環境溫度，待混凝土表面溫度、干燥度符合規定要求后才可粘貼碳纖維布。

5.3.3 裁剪下料

根據設計要求尺寸、結合施工現場實際情況裁剪碳纖維布，碳纖維布裁剪后的寬度應盡量大于150mm。

5.3.4 底層樹脂配制與涂刷

（1）樹脂配制。根據工藝要求配制底層樹脂，應安排專人負責配膠作業，利用低速攪拌器調膠，或是采用人工攪拌方法，應確保攪拌均勻，不產生氣泡，且要避免灰塵等雜物落入膠內而影響樹脂的質量。

（2）樹脂涂刷。涂膠時要使用專用滾刷，保證涂抹均勻性，所有待粘混凝土表面均要涂到，不可漏涂，且涂后膠不可流墜。樹脂應隨配隨用，應于規定時限使用完畢。涂刷后需晾置一段時間，待樹脂表面完全干燥后再實施后續施工。

5.3.5 找平處理

找平作業時，應根據供應商所提供的工藝要求為依據選用適合的找平材料，確保混凝土表面的所有凹陷處均被填平，不可有凸起或棱角。轉角處應利用找平材料處理成圓弧形，并保證轉角光滑，圓弧半徑一般應大于20mm。找平后待材料干燥后方可進入下一工序。

5.3.6 碳纖維布材粘貼

（1）擦拭與粘貼。根據供應商提供的工藝要求為依據配制好粘貼樹脂，在底層樹脂表面干燥后遵循均勻性原則涂刷粘貼樹脂，擦拭干凈碳纖維布材，去除其上附著的粉塵之后再將之粘貼于指定位置。第二層碳纖維布材按照同樣方法進行粘貼，并需將底層及上層碳纖維布擦拭干凈，且應立即完成碳纖維布的粘貼。

（2）滾壓與浸漬。碳纖維布粘貼后，應利用專用滾筒沿纖維方向做滾壓處理，通過重復滾壓排除其中的氣泡，以便碳纖維布可被浸漬樹脂完全浸透。滾壓時應謹慎小心，不可破壞碳纖維布。第二層或第三層粘貼后應重復滾壓，確保上一層表面浸漬樹脂干燥后再粘貼下一層。表面碳纖維布粘貼后，也要在其表面上涂滿浸漬樹脂，若需抹灰實施，則應將中砂噴撒于樹脂表面之上，在樹脂完全固化后再實施抹灰施工。

5.3.7 固化養護

完成碳纖維布粘貼后，應固化養護72h，在此期間要做好碳纖維布保護，不可觸碰或重壓，以免碳纖維布受到擾動而影響其固化效果。

5.4 檢驗、驗收

5.4.1 材料檢驗

檢查碳纖維片材、配套樹脂粘貼材料的出廠檢驗報告及合格證是否齊全，詳細比對材料及其證件批號是否統一，可現場取樣抽檢進場的碳纖維布及膠粘劑，具體檢驗指標分別見表1及表2所示。

表1 碳纖維材料試驗指標

根據表2要求改性配制底涂膠及修補膠時，應以廠家確定的膠體性能及工藝性能為依據，需保證粘結力符合規定要求。仰面或立面粘貼碳纖維布時，40℃時粘結劑的下垂流度不可高于3mm。正拉粘結檢測時，所應用的混凝土塊強度等級應介于C40 與C45 之間。強度等級為C15 與C20 的混凝土，其抗拉強度標準值的檢驗系數應為1.2，C25 混凝土塊的檢驗系數為1.1，而C25以上的混凝土，檢驗系數則應為1.0。粘貼碳纖維織物的混凝土等級需要高于C20。

表2 粘貼碳纖維粘結劑基本性能要求

5.4.2 工序檢驗

碳纖維布粘貼施工中，應根據規定要求驗收隱蔽工程，針對各道工序進行詳細檢查，若工序檢驗結果與規定要求不相符，應根據所出現的問題針對性補救，若粘貼碳纖維布的質量不符合設計標準，也要酌情處理或重新施工。

（1）定位放線檢驗。重點是檢查定位尺寸是否與設計圖要求相一致，并且要仔細核對定位位置與規定位置之間是否出現偏差。

（2）基層處理檢驗。混凝土基層處理檢驗時，要檢查所處理基層是混凝土結構層，不可對裝修層進行處理。混凝土表面平整度應為5mm/m。打磨范圍應比粘貼位置長出2cm～2.5cm。打磨程度檢驗標準是：混凝土表面的浮漿外道層被全部磨掉，且打磨深度應介于1mm～2mm之間，確保混凝土表面沒有松散性或劣質性結構存在。要求混凝土表面無浮灰及油污等雜質，并保持在干燥狀態。陰陽角應處理成圓弧形，應對圓弧半徑進行檢測，確保其數值大于20mm。

（3）裁布下料檢驗。裁布下料環節的檢驗重點是下料尺寸是否符合設計圖要求，長度偏差不可超過5mm～8mm，且寬度偏差應介于2mm～4mm之間。

（4）配膠檢驗。配膠檢驗時，要檢測臺秤計量精準度，并檢查膠配制時是否根據膠的品種差異按照說明書分別確定底膠、打平膠以及浸潤膠的配比。常溫狀態下應于2h內用完膠，若環境溫度較低，則可延長膠使用時間，但也應于3h～4h內使用完畢。

（5）粘貼工序檢驗。粘貼碳纖維布時，各個粘貼層之間的時間預留控制應為檢驗重點，每層粘貼后，采用指觸方式檢驗碳纖維布是否完全干燥，徹底干透后方可開展后續施工。粘貼過程中，混凝土表面涂膠要保持均勻，粘貼時滾壓方向應始終為纖維方向，要求粘貼后不出現氣泡，確保纖維布完全浸透，并將空鼓率控制在5%之內，單一小塊空鼓面積不可超過1m2。碳纖維布實際粘貼面積應與設計量相符，不可出現10mm 以上的位置偏差。利用小錘敲擊或受壓方法檢測碳纖維布及混凝土間的粘結質量，有效粘結率應高于95%。

5.4.3 檢驗不合格處的修復

若檢驗過程中發現空鼓現象，應立即修復處理。若空鼓面積不大，可利用針孔注射器向其中注射粘貼樹脂，以消除空鼓現象。若空鼓面積過大，則需剪下空鼓部分，再裁剪出比裁下部分各邊長15cm 的碳纖維布，并確保二者縱向方向相同，涂刷粘貼樹脂后將之粘貼于空鼓修復處。

6 結語

碳纖維加固技術是當前建筑構件加固處理中的常用方法，經濟效益十分顯著。碳纖維材料具備自重小、操作過程簡便、可操作性好的優勢。市場經濟背景下，建筑企業更加注重于施工的經濟效益及施工的安全性，利用碳纖維加固技術既能節約加固施工的時間、人力及物料成本，也可保障加固施工過程的安全性，能夠提升建筑結構加固處理質量，可為建筑使用者的健康及財產保障提供有力支持。