浅谈碳纤维加固技术在工程中的应用

1 浅谈碳纤维加固技术在工程中的应用

摘 要：通过碳纤维材料在结构加固中的应用分析，对碳纤维加固技术的优点进行了阐述，介绍了碳纤维加固技术的施工工艺流程和质量控制措施，分析了影响碳纤维布加固质量的因素，提出施工中应注意的要点。通过材料价格、施工操作及维修成本等三方面的技术经济分析可以看出，碳纤维材料加固混凝土具有优良的性能价格比，科技含量高，技术先进，与其他加固技术相比，在综合工程经济性能方面具有很强的竞争力。

在混凝土加固工程，碳纤维材料加固技术具有良好的技术经济效益、社会效益和环境效益，能有效提高了原有结构的承载能力和结构耐久性。随着整个社会经济的发展，这种技术必将成为未来结构加固技术的主流。

关键词：碳纤维；加固技术；施工工艺；质量控制

一、绪论

混凝土是土木建筑工程中应用量最大、面最广的材料，自1824年水泥问世及随之诞生的混凝土与钢筋混凝土以来，至今已有100多年的历史。然而随着使用年限的增加，现有的许多桥梁、隧道、建筑物以及其它生命线设施等基础结构、设施由于地理环境、自然灾害、施工质量、地震、战争等方面的原因，这些工程的耐久性受到严峻的考验。同时，由于外界腐蚀、结构改进、使用功能改变、设计规范要求提高以及材料缺陷、火灾破坏等原因，大量的现有结构急需提高结构构件的抗弯、抗剪、抗拉、抗震和抗压等承载能力。世界各国每年要耗巨资用于加固维修土木工程结构设施。

因此，怎样对大量的现有基础设施和建筑进行改造和翻新，最大

2 程度地利用现有的资源，是当今世界各国研究的一个重要课题。统计资料显示，改建比新建工程可节约投资约40％，缩短工期约50％，投资回收比新建建筑快3～4倍。

目前在工程维修加固中采用的加固技术，通常包括增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、改变受力体系加固法、粘钢加固法及纤维增强复合材料片材加固法等。传统加固补强技术整体水平比较落后，施工方法和工艺比较复杂，设备繁多且受场地等因素的限制，作为新兴的纤维增强材料加固技术，特别是碳纤维加固法(碳纤维加固是近年来美日等国家所研发的应用在土木工程中的新型补强技术。该方法采用同一方向排列的碳纤维织物,在常温下用环氧树脂胶粘贴于混凝土结构表面，利用其紧密粘着混凝土表面,使二者作为一个新的整体，共同受力，是一种非常简单且优良的加固补强方法，与传统的粘钢加固不同,碳纤维加固在不增加结构物的荷重的前提下达到高效加固的目的。)修复混凝土结构具有高强高效、施工便捷、耐腐蚀、自重轻、不增加结构尺寸等明显的优点，深受工程界的重视和推崇。近几年来，这项技术己成为土木工程领域研究的热点，开发研究和工程应用迅猛发展。

二、工程概况及加固设计

海口市国家税务局，海南省地方税务局投资兴建的海神公寓地下室顶板加固工程，因露筋现象严重，根据海口市建筑工程质量检测中心《钢筋力学及工艺性能检测报告》，委托编号20-2000708-0202GY，钢筋未能满足规范要求，故原设计二级钢予以降级使用相当于一级钢,据此对该顶板的梁板予以加固处理。

根据建筑结构荷载规范(GB50009-2001)及碳纤维片材加固混凝

3 土结构技术规程(CECS146:2003)，碳纤维采用0.167mm厚，抗拉强度标值不小于3000Mpa，弹性模量不小于210000Mpa，伸长率不小于1.5%。

1、混凝土表面处理：按加固设计部位放线定位，被粘贴的混凝土结构表面应打磨平整，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，成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm，混凝土表面应清理干净并保持干燥。

2、钢筋除锈处理：对于长期裸露在外、锈蚀严重的钢筋，应先用铁件敲去钢筋表面的氧化皮、块状铁锈等，然后用化学阻锈剂对锈蚀钢筋表面进行反复除锈，达到光亮见新。

3、涂刷底层树脂：按工艺规定配制底层树脂，采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，宜在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。

4、找平处理：按工艺规定配制找平材料，应对混凝土表面凹陷部位用找平材料填充平整，不应有棱角。转角处应采用找平材料修理成光滑的圆弧,不应小于20mm。

5、粘贴碳纤维：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布；按工艺规定配制浸渍胶，并均匀涂抹于粘贴部位；将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，宜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滚压时不得损伤碳纤维布；在碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂；在碳纤维表面的浸渍树脂上粘一层粗砂或豆石，后抹一层厚15mm纤维砂浆加以防护。

三、碳纤维布加固主要施工工艺

(一)、碳纤维布加固执行标准：

4 《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006

《混凝土结构加固技术规范》CECS25:90

《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004

《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204—2002

《结构加固修复用碳纤维片材》(JG/T 167-2004)

(二)、碳纤维布加固工艺流程:

施工准备→基层处理→涂底层树脂→找平→涂刷浸渍树脂或粘贴树脂→粘贴碳纤维布→表面养护防护

1、施工准备

(1)、材料检验和试验

材料的采购进场必须随货附带有产品出厂合格证和出厂检验报告，以初步判断该材料是否满足本加固工程的质量要求。材料进场后应立即抽样送检，待检验合格后方可投入使用。

(2)、搭设施工平台

根据施工现场的实际情况，采用钢管搭设脚手架，其上满铺脚手板。需注意操作平台的稳固性和作业面高度。

(3)、测量放线

根据加固设计图纸的要求，在需粘贴碳纤维布的混凝土表面放线标出粘贴碳纤维布的位置。

(4)、施工机具准备

碳纤维布加固施工需要使用的机具主要有砂轮机、搅拌器、称量器、刮刀、滚筒、油刷、壁纸刀等。

2、混凝土表面基层处理

(1)、用钢丝刷清理混凝土表面，除去灰尘、水泥粉末和松散的

5 混凝土碎屑，露出干净的混凝土表面。

(2)、在粘贴碳布部位，用手提砂轮机将混凝土表面劣化层（风化层、污物、脱模剂层、浮浆、浮块）除去，并打磨至粗骨料出现，完全露出混凝土结构新面。

(3)、打磨完后用高压气枪将粉尘及松动物质清除，并确保其充分干燥，混凝土表面用丙酮擦拭干净，达到平整无灰尘。

(4)、若补强施工范围内存在锐利棱角，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm，以免造成应力集中而降低补强效果。

3、涂底层树脂

在处理好的混凝土表面上涂一层底胶，使底胶渗入混凝土表面的孔隙中，确保混凝土及碳纤维布之间充分结合。通常根据底胶的标准用量算出粘贴的总用量，并确保该用量在可使用时间内用完。按主剂：硬化剂(质量比)的比例准确称量，将称量好的主剂和硬化剂倒入桶中，搅拌均匀。根据标准用量控制厚度，在有效操作时间内，用滚动型毛刷将底层树脂均匀涂布在粘贴面上，使每一个部位均涂有底胶，待指触干燥后，即可进入下一步工序。

4、找平层

待涂底层树脂表面干燥后立即进行找平处理，配置并涂刷找平树脂，修补拼缝及表面缺损，使砼表面平整。如果砼表面凹凸不平较严重时，可将无灰尘的干砂子混入修平树脂中，使砼表面基本平整，然后用找平树脂抹平表面，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成R≥20mm圆弧状。

6 转角处粘贴示意构件外表面碳纤维布r 20mm

5、涂刷浸渍树脂(粘贴树脂)

配置浸渍树脂并均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。

6、粘贴碳纤维布

(1)、裁剪碳纤维布

将碳纤维布按设计尺寸预先裁好，纤维布在纵向需搭接时，搭接长度须在150mm以上。切口要求整齐，切口与碳纤维布的横向编织丝重合时，应该将切口适当平移，否则碳丝散开，影响施工质量。

(2)、涂刷第一层浸润胶

找平胶表面指触干燥后开始涂刷第一层浸润胶，将配制好的浸润胶均匀涂抹于所要粘贴的混凝土基层，用橡胶刮板均匀抹平。浸润胶的用量视混凝土表面的状况不同斟酌使用，需避免浸润胶过量而导致碳纤维布滑移或扭曲，或浸润胶不足导致含浸不足。

(3)、粘贴碳纤维布

将预先剪好的碳纤维布铺到涂有浸润胶的混凝土面上，一边铺一边用脱泡滚筒或刮刀沿纤维方向用力刮平，以去除气泡。在整段碳纤维布完全贴合到混凝土表面之后，再用脱泡滚筒反复碾压，以充分含

7 浸树脂和除去纤维丝之间的空气。注意不要使纤维布出现扭曲、起皱或毛刺，并要确保排除气泡，使浸润胶完全浸透纤维丝。如果所贴合的碳纤维布表面呈现很明显的扭曲、起皱或隆起，则必须将该纤维布揭起重铺。

(4)、涂刷第二层浸润胶

碳纤维布浸透刮平后，需再涂一层浸润胶，用橡胶刮板、脱泡滚筒重复以上操作，务必使碳纤维布含浸完全，同时除去所有的气泡和多余树脂。如果发现有浸润胶未浸透的部分，要注意加强滚压，滚压时不得损伤碳纤维布。

(5)、需要粘贴两层以上纤维布时，重复(2)~(4)工序的操作，间隔时间应保证在12h以上，多层粘贴时碳纤维布的搭接位置要相互错开。实际工程粘贴碳纤维布效果如图1所示：

图1 碳纤维材料加固梁板形式

7、表面养护防护

为了满足功能需要，对碳纤维布表面进行处理，如在表面做涂料时，需要考虑与碳布的粘结性、环境的适应性去选择合适的涂料；如在表面抹水泥砂浆时，考虑到碳布表面较光滑，在涂最后一道浸润胶时，可先撒一些石英砂细骨料，待其固化后，再进行表面除理。粘贴

8 后碳纤维布需在规定温度下养护24小时，为了防止加固后的混凝土构件表面受损，提高耐久性必须进行外部防护，一般可抹水泥砂浆等措施，有防火要求时可在表面刷防火涂料。

四、质量控制措施及施工注意要点

碳纤维布加固的施工工艺相对比较简单，但对施工过程要求较严，对施工人员的素质要求较高。在实际施工中应特别注意以下工序的质量控制：

(1)、施工时应注意碳纤维布与混凝土表面必须打磨平整，清理干净；转角粘贴处应打磨成圆弧状（R≥20mm），保证碳纤维布与混凝土良好粘结，形成一个复合体，共同抵抗外力作用。表面污物浮浆没去除干净或不够平整、错台的，将严重影响碳纤维布复合层与混凝土之间的正拉粘结强度，直接影响施工质量和加固效果。

(2)、施工温度原则上要在5℃以上条件下进行，应尽量避免阴雨天气施工。温度低时不易固化，湿气太大将导致树脂与水气产生作用而干扰胶化过程。

(3)、混凝土打磨的范围要大于碳纤维布的宽度，一般比碳布宽20mm；对于出现裂缝可采用注入结构胶来修复，对钢筋外露锈蚀处，必须对钢筋进行除锈，然后进行断面修复。

(4)、碳纤维配套树脂的配制须由专人负责，按主剂：硬化剂(质量比)的比例准确称量，先对主剂搅拌，再把固化剂加入，进行搅拌约3分钟，直至呈现均一颜色为止。

(5)、涂刷第二层浸润胶时，只能单方向涂刷，不能来回涂刷，否则将影响碳纤维丝受力的均匀性。同时加强滚压，确保没有空鼓，如有空鼓时采用针管注胶等方法修补。

(6)、混凝土表面打磨时，室内粉尘浓度较高，操作人员要戴防