谈碳纤维布与粘钢组合在钢筋砼梁柱结构加固中的应用

摘 要：文章通过工程实例，较为系统地讲述了，碳纤维布与钢板组合在钢筋砼梁柱结构加固中的应用，表明了此种加固补强方法的有效性、选材的环保性及施工操作的简便易行。

关键词：碳纤维布；钢板；砼结构加固

碳纤维材料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。碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。我国的这项技术起步很晚，随着我国经济繁荣，建设事业的飞速发展，全国各地掀起了基础设施、工业与民用建筑建设的高潮，现有建筑中存在原有设计荷载标准低，有些因使用功能的改变，难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固；相当比例由于设计、施工的问题或自然灾害的打击，造成结构破坏、承受能力降低，达不到安全使用要求，但又未达到必须全面摧毁拆除的程度，加固成了较为经济的选择。

常用加固补强的方法有多种，其中碳纤维布与粘钢组合法加固法是继增大砼截面、包钢粘钢之后的，目前应用较为普遍有效的一种新型加固技术。

1 实例工程项目概况

1.1 某教育中心项目的宿舍楼，为两幢七层的钢筋砼框架结构宿舍楼单体（建筑面积17839.3平方米），两单体之间由钢筋砼框架结构连廊相连（建筑面积为1032.2平方米），连廊的顶棚为单排柱支撑向两侧悬挑的廊带式雨篷，一侧为钢筋砼板悬挑1.4m、一侧为钢筋砼格栅式小梁悬挑2.5m。

1.2 连廊顶棚结构施工完毕纸，砼达到设计强度后拆除模板支撑系统，2天后发现顶棚轻微倾向格栅梁一侧，在悬挑板一侧的立柱表面从上到下有多道肉眼可见水平裂缝，经量测宽达0.3-0.5mm。要求立即用钢管在格栅梁一侧采取了托撑处理，防止顶棚倾斜及立柱上横缝的继续发展。

1.3 经设计单位到现场查勘并验算，两侧悬挑件的重量悬殊且锚入单排柱的钢筋偏弱为主要原因，出具了采用碳纤维与角钢钢板组合的加固方案。

设计图略去，加固设计说明如下：

（1）相关施工应符合砼结构加固设计规范（GB50367-2006）。（2）碳纤维布采用2层单向织物高强度I级分次粘贴，纤维方向与柱纵轴方向一致。（3）环形箍的纤维受力方向应与柱纵轴方向垂直，上下层靡靡之间搭接宽度不小于50mm。（4）构架柱四角采用L50x4角钢包裹，根部三面采用L63x5角钢，另一面采用-500x6钢板包裹、5.8级M22锚栓连接。（5）柱根东侧与屋面梁交接处采用-2000x200x10与L63x5角钢焊接，焊缝高度6mm。（6）钢材Q235钢，焊条E43，焊缝高度6mm，角焊缝质量等级3级，对接焊缝质量等级2级。（7）BWL1全长采用2层外包碳纤维进行加固，梁两端采用钢板箍，其余范围采用碳纤维环向箍。（8）施工之前需对柱截面棱角进行打磨圆化，圆化半径不小于25mm。（9）施工完毕后应及时对纤维材料进行防护处理，避免暴露于阳光和空气中。

2 加固工程作业内容

主要为碳纤维布粘贴，钢板粘贴，化学锚栓等。

3 加固用胶介绍

3.1 本案用胶为上海某产品，分为粘钢结构胶A、B组份；碳纤维浸渍胶A、B组份。

3.2 粘钢结构胶A、B组份

3.2.1 WLB-400粘钢胶系A、B双组分改性环氧类结构胶，分常温固化（WLB-400N）、低温固化（WLB-400L）和潮湿环境固化（WLB-400D）三种类型的产品。具有粘接力、剪切力强，抗老化、耐介质（酸、碱、水）性能好、抗冲击性能强，常温固化、硬化过程收缩小、施工无流淌，不含挥发性溶剂、无毒以及施工方便等特点。

3.2.2 适用于改造工程中混凝土构件外部粘贴钢板加固；土木工程中各种建筑材料的自粘和互粘；配胶比例：A、B组份配比为3：1。

3.3 碳纤维浸渍胶A、B组份

3.3.1 WLB-800系列碳纤维胶系A、B双组份改性环氧类胶粘剂，由WLB-801底胶、WLB-802W修补胶、WLB-803浸渍胶组成。WLB-803浸渍胶具有粘度低、强度高，浸润性、渗透性好，抗老化、耐介质（酸、碱、水）性能好，室温固化、不含挥发性溶剂、无毒以及施工流淌少等特点。

3.3.2 适用于WLB-803浸渍胶主要用于加固构件表面碳纤维、玻璃纤维及其它纤维类片材的粘贴；配胶比例：A、B组份配比为3：1。

4 加固胶的使用要点及注意事项

4.1 粘钢A、B组份结构胶

粘钢加固施工要点：混凝土及钢板表面处理→加固构件卸荷→配制WLB-400粘钢结构胶→涂胶、粘贴→固定、加压→固化→卸支撑→质量检验→防腐、封闭处理。

4.2 碳纤维A、B组份浸渍胶

碳纤维加固施工要点：加固设计→混凝土表面处理→配制并涂刷WLB-801底胶→配制WLB-802修补胶涂刮找平→配制WLB-803浸渍胶贴碳纤维布→固化养护→质量检验。

4.3 注意事项：施工环境通风、干燥，粘贴面洁净、无油污；固化温度不低于5摄氏度，环境温度20-25摄氏度时固化时间不少于3天，平均温度为10摄氏度时固化时间不少于7天；施工时必须具备手套、口罩、护目镜等防护用品；若不慎弄到皮肤或衣物上，可用丙酮清洗并用大量清水冲洗；基不慎食用或溅入眼睛，应立即就医。

4.4 运输、储存：本品属无毒、非危险品，按一般化学建材运输；运输途中不得曝晒、雨淋或倒置；A、B两组份应分开存放，避免混杂；本品常温（25摄氏度）下干燥储存，储存期12个月。

5 主要施工方法

施工时遵循先粘贴碳纤维布，然后进行粘钢及角钢包粘施工作业。

5.1 碳纤维布粘贴施工

5.1.1 碳纤维布及粘结剂材质特点

重量轻，几乎不增加原结构荷重；拥有比普通钢材高10倍的高拉伸强度（详见下表）；良好的抗腐蚀性能，不受盐分及酸的腐蚀；可抗化学反应，耐高温和低温；可与钢筋混凝土表面紧密接触，并可配合形状施工；施工方便，可缩短施工工期。

碳纤维布产品性能

碳纤维布配套胶材及找平材料力学性能指标

碳纤维布浸渍胶力学指标要求（不小于表中数值）

5.1.2 粘贴碳纤维布施工步骤及技术组织设计

施工准备→碳纤维布位置定位→结构面打磨→高压空气吹理浮灰→丙酮洗面→配制找平材料找平→配制底层胶并涂刷、碳纤维下料→底层胶固化，配制浸渍胶并涂刷、粘贴碳纤维布→粘结剂固化前，外表面喷砂防护。

5.1.3 具体做法

严格按加固设计及《混凝土结构加固设计规范GB50367-2006》、《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008、国家标准《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》等相关规范与标准的要求，进行材料进场检验、各道工序的监督验收以及各分项工程检查认可。同时及时有针对性地做好施工技术交底与安全交底。首先按加固图要求，用切割机切除部分格栅梁，进行卸荷。

材料：（1）粘粘碳纤维布粘结剂采用上海某专业厂家的WLB系列粘结胶、浸渍胶，A、B组份在使用前3：1进行调配搅拌均匀；（2）碳纤维片材亦采用上海某专业厂家产品，按设计要求现场剪裁。

粘贴准备：（1）在对指定格栅梁切割卸荷顶棚回复稳定后，对相应的梁柱构件面，凿除粉刷层、清除表面松散浮渣。面层用角向磨光机打磨，直至完全露出原结构层混凝土崭新面，平整度应达到5mm/m；构件转角粘贴处须打磨成圆弧状，圆弧半径应不小于20mm。（2）打磨后用强力吹风机彻底清除表面粉尘。（3）清理打磨后的混凝土表面，若有超过10mm的凹陷处，应使用底胶调水泥修补找平，有高差或转角部位，应抹成平滑的曲面。（4）粘贴前以丙酮清洗粘合面，并待其干燥。

配置粘结剂：（1）WLB胶按产品使用说明书规定和工艺配置，设专人负责。（2）容器内不得有油污、水渍，搅拌时避免雨水、灰尘进入容器。（3）按同一方向采用低速搅拌器进行搅拌，搅拌至均匀、无气泡产生。（4）搅拌好须在10～60分钟内使用完毕（不同的操作环境温度，时间可有所调整）。

粘贴碳纤维：（1）将配置好的粘结剂涂抹在已经处理好的混凝土表面，厚度均匀，然后将碳纤维粘贴并固定于预定位置。（2）用专用的滚筒或塑料刮刀顺纤维方向多次滚压或刮压，使粘结剂充分浸透碳纤维中，且使其平整、无气泡，滚压刮压时不得损伤碳纤维布。（3）多层粘贴时，应在底层碳纤维表面浸渍胶干燥后立即进行下一层的粘贴。

搭接：碳纤维搭接应顺纤维方向，搭接长度不得小于150mm。

防护：粘贴加固完成，最外层碳纤维外侧浸渍胶完全固化前采用喷砂处理。

5.1.4 碳纤维布粘贴的检查与验收

（1）粘贴碳纤维布施工质量检验及验收标准详见下表：

施工质量检验及验收标准

（2）粘结质量不符合要求需割除修补时，应沿空鼓边沿，将空鼓部分的碳纤维割除，每边向外缘扩展100mm用同样碳纤维材料、同样粘结剂，补贴在原处。抗拉强度达不到标准要求时，应将此部分碳纤维剥去重做。

5.2 粘钢

5.2.1 粘钢施工工艺

施工流程：粘贴面处理→加压固定（根据实际情况及设计方案，有时免去卸荷步骤）→胶粘剂配制→涂胶和粘贴→固化（卸加压固定系统）→检验→维护。

5.2.2 粘贴面处理

（1）混凝土面应凿除粉饰层，清理油垢、污物，然后用角磨机打磨除去1-2mm厚表层，较大凹陷处用找平胶修补平整，打磨完毕用压缩空气吹净浮尘，最后用棉布沾丙酮拭净表面，待粘贴面完全干燥。（2）钢板的粘贴面应用角磨机进行去糙、除锈处理，直至打磨出现光泽。使用前若洁净仅用干布擦拭即可；否则需用棉布沾丙酮拭净表面，待完全干燥后备用。

5.2.3 加压固定（根据实际情况及设计方案，有时免去卸荷步骤）

（1）加固构件所承受的活荷载如人员、物件宜暂时移去，尽量减小施工临时荷载。（2）加压固定宜采用千斤顶、垫板、顶杆所组成的系统，该系统不仅能产生较大压力，而且加压固定的同时卸去了部分加固构件承担的荷载，能更好的使后粘钢板与原构件协同受力，加固效果好，施工效率高。（3）加压固定也可采用膨胀螺栓、角钢、垫板所组成的系统，该系统需要在加固构件上合适位置钻孔固定膨胀螺栓，仅能产生较小压力，不能产生卸荷效果，适合侧面钢板的粘贴。

5.2.4 胶粘剂配制

WLB粘钢胶分为A、B组份，取洁净容器（塑料或金属盆，不得有油污、水、杂质）和称重衡器按说明书配合比混合，并用搅拌器搅拌约5-10分钟至色泽均匀为止。搅拌时最好沿同一方向搅拌，尽量避免混入空气形成气泡，配置场所宜通风良好。

5.2.5 涂胶和粘贴

胶粘剂配制好后，用腻刀涂抹在已处理好钢板面上（或混凝土表面），胶断面宜成三角形，中间厚3毫米左右，边缘厚1毫米左右，然后将钢板粘贴在混凝土表面，用准备好的固定加压系统固定，适当加压，以胶液刚从钢板边缝挤出为度。

5.2.6 固化、卸加压固定系统

5.2.7 检验

（1）WLB系列胶粘剂操作性能较佳，正常操作可达到100%的饱满度。检验时可用小锤轻击粘贴钢板，从音响判断粘贴效果，也可采用超声仪检测。若锚固区有效粘结面积少于90%，非锚固区有效粘结面积少于70%，应剥离钢板，重新粘贴。（2）对重要构件也可采用载荷检验，一般采用分级加载至正常荷载的标准值，检测结果较直观、可靠。此种检测费用较高，耗时较长。需用的工具、料具有千斤顶或配重（常用沙袋、砖块）、百分表、裂缝显微镜、衡器。

5.3 锚栓施工

（1）钻孔孔径及浓度须与锚栓相匹配，用硬毛刷刷孔壁再用洁净的压缩空气吹出灰尘，反复进行不少于3次。如有必要可用丙酮或酒精擦净孔壁。（2）保证螺栓表面洁净、干燥、无油污。（3）确认玻璃管锚固包无外观破损、药剂凝固等异常现象，将其圆头朝内放入锚固孔并推至孔底。（4）使用电锤或电钻及专用安装夹具，将螺杆强力旋转插入直至孔底，击碎玻璃管并强力混合锚固药剂。电锤或电钻的转速应调至慢速档，且不应采用冲击方式。（5）当旋至孔底或螺栓上标志位置时，立刻停止旋转，取下安装夹具，凝胶后至完全固化前避免扰动，超时旋转将导致胶液流失，影响锚固力。（6）外观检查固化是否正常。重要部位的螺栓需进行现场抗拔试验，检验其锚固力是否满足设计要求；合格后方可进行下一道工序的施工。（7）锚固质量检查及验收。a.锚孔质量检查：锚孔的位置、直径、孔深及垂直度；锚孔的清孔情况；锚孔周围混凝土是否存在缺陷，是否已基本干燥，环境温度是否符合施工工艺要求；钻孔是否伤及原结构钢筋；b.锚固质量检查：对照加固图纸检查锚固位置、尺寸、垂直度及胶浆外观固化情况等；用铁钉刻划检查胶浆固化程度；以手摇方式初步检验是否锚实；锚固作业的验收，可依照《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004中的相关规定，当需进行现场拉拔检验时，试件的取样规定可以《规程》中“附录A”中要求为准。

6 结束语

经过监理方及施工方的共同努力，对原料质量认真把关、严格遵照科学的工艺流程、强化工序的监督检查与验收，最终确保了本案加固工程的顺利实施，符合设计与规范，达到加固要求，至今未再见产生可见裂缝。

参考文献

[1]GB50367-2006.混凝土结构加固设计规范[S].

[2]JGJ145-2013.混凝土结构后锚固技术规程[S].

作者简介：环军，男，国家注册监理工程师、一级注册建造师、高级工程师。大学毕业后一直从事工业与民用建筑工程的项目管理与研究。