预应力碳板在混凝土加固工程中的施工工艺及控制重点分析

陈治希

一、碳纤维的概述

碳纤维具有优良的品质，质量轻，有着极强的抗拉拔性能，在与环氧树脂协同工作时抗疲劳能力强、耐久性能好等特点，在混凝土结构加固中有着良好性能表现。以混凝土结构为例，在进行实际加固工程时一般使用高强型或高弹性模量型的复合碳纤维材料进行加固，高强型碳纤维材料的抗拉强度一般可达3800 MPa左右，与钢筋的弹性模量相当，但其拉伸强度可达钢筋的十倍以上；高弹性模量的碳纤维材料的拉伸强度为传统钢材的600%，其强度超过2400Mpa。

二、加固原理

由于良好的性能表现，碳纤维复合材料作为一种新型的建筑材料受到各国工程技术人员的青睐，广泛应用于各个领域。混凝土结构的工作机理非常适用于采用碳纤维材料进行加固，其工作机理如下：

（1）钢材和混凝土受到应力的作用下会共同发生形变,形成互相夹持的状态。

（2）钢筋和混凝土之间的相容性可保护钢筋，钢筋遇酸性物质就会生锈，混凝土材料为碱性材料，当遇到弱酸性环境时，可发生中和反应，间接地保护了钢筋材料，为钢筋材料充当“保护伞”的功能。

（3）在正常的受力机理情况下钢筋的抗拉强度和弹性模量等方面的性能都优于混凝土。通常情况下两种材料的弹性模量和抗拉强度的比值一般为：

根据上列公式计算得出N=5.56～6.67，即1m2的钢筋大约等于6m2的混凝土，某些弹性模量较低的加固材料必须满足最低的使用性能要求。

（4）使用树脂涂在加固的混凝土结构表面，树脂可以渗透到混凝土并和碳纤维材料形成一体，在混凝土结构发生应力变形时传递剪切力。在碳纤维材料的高强度和弹性模量的优秀性能下，利用预应力和结构形变应力进行抵消，以弥补钢筋混凝土中抗拉不足的缺点。

（5）碳纤维材料的热膨胀系数比约为1×10-5/℃，比混凝土和钢筋小得多，换言之，如果外部温度升至10℃，碳纤维材料就会产生大约24.675 MPa的温度应力，但还没有达到碳纤维极限强度(3400MPa)的1%，所以它的影响很小。

（6）碳纤维复合材料是由高强度、高弹性模量的单向排列的碳纤维经环氧树脂渗透浸渍而成，它还是组成碳纤维板的基本材料。将环氧树脂粘在混凝土结构受拉表面，树脂固化后便与原混凝土结构形成一个整体，从而使碳纤维和钢筋作为互补整体共同承受外力。虽然碳纤维板的质量很轻，但它能在混凝土结构中分担很大一部分荷载，这就降低了钢筋的应力，从而起到加固混凝土结构的作用。但也不是说碳纤维材料的强度越高越好，因为现有的混凝土强度有限，碳纤维材料强度过高与之不匹配，使碳纤维材料的张力发挥不了应有的作用，只有在广泛应用碳纤维预应力筋束之后，才能使其充分发挥自身材料的性能。

（7）碳纤维是由碳原子构成的，碳原子具有稳定、坚硬的特性，对 CFRP材料来说，能承受化学腐蚀等多种复杂环境的影响，并能耐一定的高温，因而在混凝土结构的加固中其作用不会产生影响。

（8）碳纤维有着许多优秀的特征，但却很难直接作为增强材料，需要和其它材料进行结合使用，这主要是因为碳纤维为脆性材料，其匀质性决定了其表面上存在许多裂纹。所以，碳纤维通常和其它聚合物进行混合使用，如树脂等，受益于树脂材料的特性，树脂可以均匀的分布在碳纤维上，使碳纤维保持相互独立，碳纤维材料在和树脂进行混合并在经过高温拉挤压处理成形。

（9）碳纤材料与钢筋具有良好的互补性，当它们相互配合时，可以大大提高混凝土结构的承载能力和耐久性。

三、工程概况

某加固地下室工程的主要加固范围是地下室顶板，加强处理方式：地下室顶板钢支承提升、板底加筋、板底粘碳纤维板、板底粘钢板、裂缝修补及加固后表面抹灰等工程，本文主要探讨某加固地下室工程中板底粘碳纤维板的施工要点和工艺（见图1）。

图1 碳纤维板加固现场图

四、施工工艺和流程

1.施工流程

清理障碍物→放线、验线→清理粘板混凝土结构面→配制粘钢胶→粘贴碳纤维板→固定碳纤维板→表面防护→报验，图2中显示了具体情况。

图2 碳板加固施工流程

2.施工工艺

（1）位置标定：根据加固设计施工图纸以确定需要加固位置和位置线，位置线必须明确标明加固位置，且为便于施工，每侧统一放置线外端放大3厘米。

（2）混凝土表面处理：首先进行表面处理，清除表层和浮渣，需要重点注意表面是否存在疏松面层，对于凹凸的表面需进行人工找补，同时对裂缝进行修补，先用角磨机将表面打磨，直到裸露出新鲜的混凝土。用压缩空气清除混凝土浮尘，如果表面有水渍则需要先进行干燥处理，然后再进行磨削。

（3）找平处理：如果有不平整的地方需要用找平材料重新补平，直到完全平整为止。

（4）钻孔处理：根据放线进行钻孔位置确定，并使用电锤进行钻孔，同时清理孔位后植入螺栓，螺栓应垂直于混凝土表面。

（5）安装锚具：将碳板两面刷胶后装入夹具中，同时应保证锚具的中心应和碳板中心一致。

（6）预应力加载：将夹具安装到对应的固定板内，使用千斤顶进行预应力施加，通常预应力张拉为25kN，在预应力施加过程中，需要对加固结构的挠度变化进行监测，如发现数据异常应及时处理。

（7）固定碳板：预应力加载至指定范围后，锁紧固定板后卸载千斤顶，并对碳板表面刷胶后进行间隙张拉，待全部张拉完成后锁紧拉杆，清理碳板上多余的结构胶。

（8）表面防护：在碳板四周刷入大于5cm厚的粘结剂用于防护，对锚具加装防护，对于钢制件的锚具，需要进行封油处理，同时对锚具加装防护罩。

（9）碳板加固完成后，及时进行固化养护。

五、质量控制重点分析

（1）粘贴碳纤维板必须符合设计要求和加固行业的施工规范；

（2）胶层的中心应呈拱形，平均厚度不得小于2mm；

（3）要求墙墩与固定端间距＜100mm，与张拉端的末端间距大于200mm；

（4）平行粘贴多条碳纤维板时，两条板带间的间隙大于5mm；

（5）操作人员应穿着工作服，戴上防护面罩；

（6）建筑工地应配备各种必要的灭火器，以备救护之用；

（7）危险边缘处需设置护身栏和红色指示灯；

（8）各施工用架严格按照脚手架安全技术防护标准及规范进行搭设。

六、结语

本文以混凝土加固工程为研究课题，简要地概述了碳纤维板的基本特性，阐述了碳纤维板在混凝土加固工程中的加固原理，从施工流程、工艺、质量管理、施工注意事项和现场安全保护措施几方面对预应力碳板在混凝土加固工程中的施工工艺及控制作了重点分析。