碳纤维布(CFS)加固混凝土结构工法

碳纤维布(CFS)加固混凝土结构工法一、前言混凝土结构的加固补强一直是建筑物维修改造中重要的一环，其具体加固方法将直接影响工程的经济性、施工进度。碳纤维布加固修补结构技术是一种新型的结构加固技术，它是利用树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(CFRP)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心引进开发了此项目，并在全国建筑加固与鉴定第四届学术会议上获奖。我公司在安徽省图书馆老阅览楼修缮工程和安徽省博物馆陈列大楼维修工程中都使用了碳纤维布加固混凝土梁、柱、板的方法，通过不断总结、探索，基本总结了碳纤维加固混凝土结构的施工重点、难点，掌握了碳纤维加固混凝土结构的施工方法，经总结形成本工法。二、工法特点及适用范围（一）工法特点1．适用面广，易于操作，质量易保证。2．施工简便，不需要大型施工机械和周转材料，施工占用场地少。3．比普通加固更经济，施工工期能得到保证。4．加固修复后，基本上不增加原构件截面尺寸和自重。（二）适用范围1．本工法适用于交通、建筑工程中的梁、柱、板、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等混凝土构件的加固补强施工。2．在受弯加固和受剪加固时，被加固混凝土结构和构件的实际混凝土强度等级不应低于C15，采用封闭粘贴碳纤维布加固混凝土柱时，混凝土强度等级不应低于C10。三、工艺原理碳纤维布加固是用胶粘剂把碳纤维布粘贴在混凝土构件受损处，使之与基体合为一体，从而提高混凝土构件的承载力，减少混凝土构件的变形和控制裂缝扩大的一种加固方法。利用了碳纤维材料良好的力学性能，特别是粘结剂的作用下，各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与混凝土结构共同作用，利用碳纤维布良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。四、工艺流程施工准备→卸除荷载→定位、放线→基层处理→粘贴碳纤维→表面防护五、碳纤维布加固混凝土结构设计要点（一）受弯加固1．对受弯加固的构件应验算受剪承载力，避免受剪破坏先于受弯破坏发生。2．对梁、板正弯距区进行受弯加固时，碳纤维布宜延伸至支座边缘。在集中荷载作用点两侧宜设置构造的碳纤维布U型箍或者横向压条。（1）对于梁，目前常用的加固重要有梁支座抗弯加固和梁跨中加固（见图1），柱柱碳纤维布次梁主梁次梁碳纤维布图1梁支座及跨中受弯加固在碳纤维布延伸长度范围内设置碳纤维布U型箍锚固（见图2）。U型箍宜在延伸长度范围内均匀布置，且在延伸长度端部必须设置一道。U型箍的粘贴高度宜伸至板底面，每道U型箍的宽度不小于受弯加固碳纤维布宽度的1/2，碳纤维布的厚度宜与受弯加固碳纤维布厚度一致。柱梁碳纤维布U型箍板梁碳纤维布U型箍图2U型箍加固（2）对于板，目前主要是对其支座和跨中的抗弯强度不足而采用碳纤维加固，或者因为使用需要楼板的局部开洞而采用补强加固（见图3），碳纤维布板开洞补强板跨中加固板支座加固碳纤维布图3板受弯加固碳纤维布宜采用多条带密布方案，在碳纤维布延伸长度范围内应通长设置垂直于受力碳纤维方向的压条（见图4）。压条宜在延伸锚固长度范围内均匀布置，且在延伸长度端部必须设置一道。每道压条的宽度宜小于受弯加固碳纤维布条带宽度的1/2，碳纤维布的厚度宜与受弯加固碳纤维布厚度一致。梁板碳纤维布压条板梁图4板端碳纤维布压条（二）抗剪加固采用碳纤维布对钢筋混凝土梁、柱构件进行受剪加固时，应符合下列规定：1．优先采用封闭粘贴方式，也可采用U形粘贴、侧面粘贴。碳纤维布的纤维方向宜与构件轴向垂直。2．当碳纤维布采用条带布置时，其净距不应大于现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010规定的最大箍筋间距的0.7倍。3．U形粘贴、侧面粘贴的粘贴高度宜取构件截面高度。对于U形粘贴形式，宜在上端粘贴纵向碳纤维布压条，对于侧面粘贴形式，宜在上、下端粘贴纵向碳纤维布压条。4．碳纤维布对混凝土梁、柱抗剪加固方式见图5封闭缠绕粘贴U形粘贴侧面粘贴粘贴方式碳纤维布柱柱梁抗剪加固梁楼板碳纤维布柱抗剪加固图5梁、柱抗剪加固方式（三）柱抗震加固1．柱的抗震加固应采用封闭式粘贴碳纤维布的方法。柱端箍筋加密区的总折算体积配箍率应满足现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010对柱端箍筋加密区体积配箍率的要求。2．碳纤维布在箍筋加密区宜连续布置。碳纤维布两端应搭接或采取可靠连接措施形成封闭箍。碳纤维布条带的搭接长度不应小于150mm，各条带搭接位置应相互错开。六、材料要求（一）所采用加固材料应具有产品合格证、应用许可证，碳纤维布及专用碳纤维胶粘剂应提供产品规格及主要物理、力学性能指标，专用碳纤维胶粘剂还应提供耐久性能指标及施工和使用环境要求。材料根据设计要求的技术性能选用。（二）碳纤维布的主要力学性能指标应满足表1规定要求碳纤维布的主要力学性能指标要求表1性能碳纤维布抗拉强度标准值（MPa）》3000弹性模量（MPa）》2.1×105延伸率（%）》1.5（三）单层碳纤维布纤维单位面积重量不宜小于150g/m2，不宜高于400g/m2，在施工质量得到可靠保证时，单层碳纤维布纤维单位面积重量可提高到600g/m2。（四）碳纤维胶粘剂在碳纤维布粘贴施工过程中，一定要采用配套碳纤维胶粘剂,其主要力学性能指标应满足表2、表3规定要求。碳纤维胶粘剂底胶的主要力学性能指标要求表2性能性能技术指标正拉粘贴强度（MPa）》18拉伸剪切强度（MPa）》10碳纤维胶粘剂面胶的主要力学性能指标要求表3性能性能技术指标正拉粘贴强度（MPa）》18拉伸剪切强度（MPa）》10拉伸强度（MPa）》30弯曲强度（MPa）》40压缩强度（MPa）》70弹性模量（MPa）》1500延伸率（%）》1.5（五）常用碳纤维布及胶粘剂1．目前国内施工的碳纤维材料多为日本进口材料，常用碳纤维布的型号及技术性能见表4规定要求常用碳纤维布及技术性能指标表4性能FTS-C1-20FTS-C1-30FTS-C6-20纤维种类高强度高强度高弹性模量纤维面积重（g/m2）200300300设计厚度（mm）0.1110.1670.143抗拉强度（MPa）355035502500弹性模量（MPa）2.35×1052.35×1055×1052．与日本产的碳纤维布配套使用的胶粘剂大致有：FP-NS、FE-Z或FE-B及FR-E3P，技术性能见表5。FP-NS：底层材料，能渗入混凝土内部，强化混凝土表面，提高碳纤维布与混凝土之间的粘结性能。FE-Z、FE-B：找平材料，修补混凝土构件的表面缺陷，提高碳纤维布与混凝土的粘结质量。FR-E3P：粘贴材料，保证碳纤维布与混凝土的有效粘结及两者的共同工作。常用胶粘剂及技术性能指标表5性能FP-NS（春秋用）FE-Z（春秋用）FR-E3P（春秋用）配合比2:12:12:1适用温度（℃）15-2515-3515-25可使用（min）4010040干燥时间（h)101410粘结强度（MPa）2.02.0抗压强度（MPa）35抗拉强度（MPa）30七、施工要点（一）施工准备1．认真阅读设计施工图纸，充分理解设计意图和要求。2．根据设计图纸熟悉施工现场，并对被加固构件的混凝土质量进行再调查，对发现的新问题及时反馈给设计人员。3．根据施工现场情况，制定施工方案和施工进度计划。4．对所使用的碳纤维布、配套碳纤维胶粘剂等作好施工前的准备工作，熟悉使用说明。5．对所使用的机具作好检查、试运行工作，保证机具状态良好。（二）卸除荷载1．加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。2．对建筑工程中的梁、板采取钢管等支撑件逐层加固，保证构件处在自由状态下进行加固工作。3．根据构件受力情况，合理安排加固施工顺序。（三）定位、放线根据设计图纸及施工前的再调查报告，对粘贴碳纤维位置进行定位、放线工作。（四）基层处理1．用小锤、錾子等工具清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，用清洗剂或专用清理工具洗刷干净，清理干燥后用专用结构胶分层填平。2．标明裂缝位置，并按设计要求进行处理，一般情况下用环氧树脂对裂缝进行灌缝和封闭处理。3．用电动磨光机、磨平机对被加固部位的混凝土表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质，直至完全露出混凝土新结构面。对梁、柱等转角粘贴处应进行导角并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于20mm(见图6)。R≥20mm碳纤维布混凝土构件图6混凝土构件转角处理4．加固混凝土构件表面应清理干净并保持干燥。5．配制底胶：按主剂：固化剂要求的比例2：1（具体比例可能随选用产品的不同而不同，具体参照产品使用说明书）将主剂与固化剂分别置于清洁容器中，用电子称称量，用电动搅拌器搅拌至色泽均匀，在搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质。应根据现场实际环境温度确定胶的每次拌和量，并按要求严格控制使用时间，当使用量小的时候，也可以用人工搅拌，必须搅拌至色泽均匀。6．涂刷底胶：采用专用滚筒刷将底胶均匀涂抹于混凝土表面。在底胶表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。7．找平处理：按产品使用说明书的工艺规定配制找平材料。然后对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角；梁、柱等转角处用找平材料修理成光滑的圆弧，半径不应小于20mm。8．在找平材料表面指触干燥后才能进行下一工序的施工。（五）粘贴碳纤维布1．根据设计要求的尺寸及层数，专人裁剪碳纤维布。裁剪好后，进行分类、编号。2．面胶配制：根据每天所需面胶用量配制，具体操作同底胶配制。3．用专用刷子将面胶均匀地抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一遍。4．粘贴碳纤维布，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使面胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴碳纤维布时应重复上述步骤，待碳纤维布表面的面胶指触干燥后方可进行下一层的粘贴。5．在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹面胶。（六）质量检验与验收1．在施工前应确认所采用加固材料的产品合格证、检验报告，各项性能指标应满足表1至表3的要求。2．每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。3．碳纤维布的实际粘贴面积不应小于设计面积，粘结面积若少于90％则判定粘结无效，需重新施工。碳纤维布粘贴的位置偏差不应大于10mm。4．施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象，应采用针管注胶的方法进行补救，当空鼓面积大于10000mm2时，可以将空鼓部位的碳纤维布切除，重新搭接粘贴碳纤维布，搭接长度不应小于100mm。5．对重点结构的加固施工时，应对碳纤维布和配套胶粘剂进行现场取样检验。（七）表面防护当需要做表面防护时，应按有关标准的规定处理，并保证防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘接。当采用抹水泥砂浆作防护时，应在验收后作粘砂、拉毛处理。八、主要机具设备本工法操作简便，主要使用小型机具，现以一个班组所需机具设备为例。（见表6）主要机具设备表表6机具设备名称规格型号单位数量作业项目混凝土角磨机G10SF3台6基层打磨电吹风机S0023Q1B-25台4基层清理搅拌器台1胶粘剂配制电子秤台1胶粘剂配制九、劳动力组织本工法具体劳动力安排根据加固面积考虑，现以一个班组所需劳动力为例。（见表7）劳动力组织一览表表7序号工种人数职责作业项目1技术负责人1现场施工技术总负责2质量员1现场质量管理3安全员1现场安全管理4班组长1现场调度、指挥5作业工人11具体操作工人十、质量控制措施本工法施工执行《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146-2003)。施工中采用以下质量控制措施：（一）尽量选用有过施工经验的工人，或者对工人进行集中培训并做样板。（二）严格技术交底制度，强化过程质量意识，每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。（三）对材料进行严格的质量验收制度，确保原材料的质量。（四）打磨时的粉尘用吹风机清除干净，严禁用水冲洗。（五）基层打磨：混凝土基层必须经过打磨，并清理干净，表面凹陷部位应用刮刀嵌刮整平胶料