碳纤维结构加固

碳纤维片材结构加固技术

简介：结构加固技术是对建筑结构及构筑物改造、加固、维护所采用的专用技术。由于科学研究的深入发展和大量工程实践，已是成熟技术，广泛地应用到建筑工程中，并已编制了专业技术规范。目前结构加固的技术类型和加固方法有许多种,如粘钢加固法、碳纤维片材加固法、喷射混凝土加固法、增截面加固法、体外预应力加固法、改变受力体系加固法等。本文介绍碳纤维片材加固法在工程中的应用范围及其应用技术。

碳纤维片材加固修复混凝土结构，是采用配套树脂粘结剂将碳纤维片材（或板材）粘贴于构件表面，使碳纤维片材承受拉应力，并与混凝土变形协调，与原构件共同受力，提高截面承载力。是国内近十年来开发研究的一种新型混凝土结构加固方式。 1．适用范围

用于梁、板受弯加固，梁、柱、墙受剪加固，约束混凝土对柱抗震加固，也可用于裂缝修补及动荷载构件加固、补强及修补。 2．主要优点

高强高效，适用面广，质量易保证；施工灵活、便捷，工效高，没有湿作业，不需现场固定设施，施工占用场地少；耐腐蚀及耐久性能极佳；材料重量轻，加固修复后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸；在结构加固方案中经济较适中。 3．主要技术性能

目前常选用的碳纤维片材有国产和进口的品牌，性能一般均能满足使用及设计强度要求，碳纤维片材选用时一定注意要有国家级检测中心出具的检测报告。碳纤维片材技术性能指标应满足表1要求。

表1:碳纤维片材的主要性能指标 抗拉强度标准值材料 fcfk 碳纤维≥3000MPa 布 碳纤维≥2000MPa 板

耐腐蚀性 优 浸透性 良好 均匀性 良好 弹性模量延伸率 密度 Ecf ≥≥≥1.5% 52.1*10Mpa 1.8g/cm3 ≥≥1.5% 1.4*105Mpa 碳纤维使用的粘接剂一般分为底胶、找平胶、粘接胶；目前市场上的胶种一般以选用该

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种碳纤维布的配套胶为主，对其他种类的胶种如与该碳纤维布未配套使用过，则应先做粘接试验，当有充分数据证明时方可使用。碳纤维粘接剂的技术指标见表2.3-2、表2.3-3、表2.3-4。 表2:底层树脂的性能指标 性能项目 正拉粘结强度(Mpa) 表3:找平材料的性能指标 性能项目 正拉粘结强度(Mpa) 表4:碳纤维片材粘贴用浸渍树脂和粘结树脂的主要性能指标 抗拉强度(MPa) 抗剪强度(MPa) 正拉粘结强度(MPa) ≥30 4．工艺原理

碳纤维片材是用抗拉强度极高的碳纤维丝在高温下“拉拔”成型，单向排列，并经环氧树脂胶预浸而成的碳纤维增强复合片材。以环氧树脂作为胶结材料，将纤维片材沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损结构上，胶结材料作为它们之间的剪力连接媒介，形成新的复合体，使增强贴片与原有钢筋共同受力，增大了结构抗拉或抗剪能力，并能有效地提高结构的强度，延性及抗裂性，控制裂缝和挠度的继续发展；必要时也可交叉粘贴单向纤维片材。整个工艺的关键在于碳纤维片粘贴的紧密性与牢固性，以保证与原结构形成整体，共同工作。 5．设计要点

碳纤维加固技术设计和施工依据以《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003及《粘帖碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定》（修订本）为准。 5. 1 采用碳纤维片材加固混凝土结构前，应按国家现行有关标准对原结构进行检测鉴定或评

估。

5. 2 采用粘贴碳纤维片材加固的混凝土结构，长期使用的环境温度不应高于60。C。处于特殊

环境下混凝土结构采用碳纤维片材加固时，尚应遵守国家现行有关标准的规定，并采取相应的防护措施。

≥10

适用温度(。可使用时间C) （min） 20-120

性能指标 试验方法 ≥2.5,且不小于加固混凝土的抗拉强度标准值规范规定试验ftk 方法 性能指标 试验方法 ≥2.5,且不小于加固混凝土的抗拉强度标准值规范规定试验ftk 方法 ≥2.5,且不小于加固混凝5-35 土的抗拉强度标准值ftk page2of8

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5. 3 采用碳纤维片材对梁、板等受弯构件进行加固设计时，加固后正截面受弯承载力的提高

幅度不宜超过40%。

5. 4 进行结构加固时宜卸除结构上的活荷载，否则应考虑二次受力的影响。

5. 5 在受弯加固和受剪加固时，被加固构件混凝土的实际强度等级不应低于C15。采用封闭

粘贴碳纤维片材加固混凝土柱时，混凝土的强度等级不应低于C10。 5. 6 碳纤维在各构件中加固节点：

a. 框架梁碳纤维布加固图（见图1）； b. 楼板碳纤维板底加固图（见图2）； c. 楼板裂缝碳纤维加固图（见图3）； d. 砖墙碳纤维加固图（见图4）。

10011300300300300150150150150150厚粘碳纤维U形箍压条一层,厚度0.111板粘碳纤维U形箍一层,厚度0.111高梁梁宽粘碳纤维U形箍压条一层,厚度0.1111图1:框架梁碳纤维布加固图注：1.材料:碳纤维布设计厚度为0.11mm,抗拉强度大于等于3000MPa;3.梁底转角处应打磨成r大于20mm的圆弧;4.碳纤维粘贴前需将混凝土粘贴面处理干净,修理平整;5.碳纤维粘贴后表面需点粘豆石并做15-20mm的水泥砂浆保护层。

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3002300L2230022300板厚2002-2L1图2:楼板开洞碳纤维板底加固图注：1.按<粘贴碳纤维复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定>施工;2.碳纤维设计厚大于或等于0.11mm;3.楼板开洞须用无震动水钻切割;4.碳纤维抗拉强度大于等于3000MPa。 裂缝封闭灌浆粘碳纤维布(骑缝粘贴)0.111*100*1000@3005005003100033-3L1图3:楼板裂缝碳纤维加固图注：1.按<粘贴碳纤维复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定>施工;2.碳纤维设计厚大于或等于0.11mm;3.楼板裂缝宽度大于0.3mm须封闭灌浆;4.碳纤维抗拉强度大于等于3000MPa。

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4楼板标高一层碳纤维0.1mm*300楼板标高墙厚图4:砖墙碳纤维加固图4-4注：1.按<粘贴碳纤维复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定>施工;2.碳纤维表面必须做保护层 6．工艺流程及操作要点 6. 1 工艺流程

构件表面处理贴碳纤维片材粘贴面基层处理养护固化涂底层涂料涂装构件表面环氧腻子修补 6. 2 操作要点

6.2.1 施工所需机械器具、工具（见表5） 表5 施工所需机械器具、工具一览表

种类 切削工具 画线工具 碳纤维裁切工具 调和及涂刷树脂用具 粘贴及脱泡用工具 安全用具 施工管理用器具 其他 6.2.2混凝土基底处理

黑斗、卷尺、水平仪、铅锤 卷尺、钢直尺、壁纸刀 名称 角向砂轮、锤子、凿子、钻、錾子 台秤、搅拌容器、橡胶抹子、滚洞刷子、油漆刷、搅拌器、抹灰板 脱泡罗拉、毛罗拉、橡胶刮板、塑料刮板 安全帽、安全带、防护眼镜、橡胶手套、口罩 R量尺、温度计（测量材料温度、大气温度、混凝土表面温度）、湿度计 空压机、通风设备、养护复合材料、绵纱 （1）将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净并达到结构密实部位,必要时再用高强

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水泥砂浆将表面修补完整。

（2）裂缝修补。缝宽小于0.20mm 的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹密闭；大于或等于0.20mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。

（3）对贴片范围的定位、划墨线、按修复、补强设计要求进行。

（4）棱角的部位，用磨光机磨成圆角。圆角半径宜30mm，最小不得小于20mm。 6.2.3涂底层涂料

（1）把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放人容器内，用搅拌器拌合均匀，一次调和量应以在可使用时间内用完为准，超过可使用时间不得再用。

（2）用滚筒刷均匀地涂抹底层涂料(含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用)。 （3）指触干燥时间因气温不同，一般在3h 到1d 之间变化。

（4）底层涂料固化后，在构件表面有凝结凸起时，要用砂纸磨光。磨光后若露出混凝土基面，应再补涂底层涂料。

（5）根据施工部位的温度，湿度选择适当的底层涂料。在气温5℃以下。相对湿度RH＞85％、混凝土表面含水率在8％以上，有结露可能而无有效措施时，不得施工。 6.2.4构件表面的残缺修补。

（1）构件表面凹陷部位（蜂窝、麻面、小孔等）应用环氧腻子填平，修复至表面平整。 （2）内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补，使之平顺。在残缺修补中使用环氧腻子时，要在气温5℃以上，相对湿度RH＜85％的条件下施工。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。 6.2.5粘贴碳纤维片

（1）确认粘贴表面干燥，气温在5℃以下，相对湿度RH＞85％时，如无有效措施时不得施工。

（2）防止碳纤维片受损。碳纤维片在运输，储存。裁切和粘贴过程中，严禁受到弯折。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸裁切碳纤维片，每段长度一般以不超过6m 为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡（即赶出气泡）、渗浸过程必须加借谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏，片材的裁切数量应以当大的用量为准。

（3）纤维片纵向接头必须搭接10cm 以上。该部位应多涂粘结树脂。纤维片横向不需要搭接。

（4）粘结树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。

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一次调和量应以在可使用时间内用完为准。

（5）贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂。下涂的涂量标准如下：200g/m2的碳纤维片，400～500g/m2；300g/m2 的碳纤维片，500～600g/m2：涂量是根据施工部位及施工面的粗糙程度而变化的。拱起部分。拐角部分。纤维片搭接部位以及残缺修补处要多涂一些。 （6）贴片时，在碳纤维片和树脂之间不应留有空气。为此，可用罗拉（专用工具）沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使粘结树脂充分渗浸人碳纤维束中。

（7）纤维片施工30min（根据干燥程度）后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂。上涂涂量标准如下：200g/m2 的纤维片，200～100g/ m2；300g/ m2 的纤维片，300～200g/ m2。上涂时和（6）一样，用脱泡罗拉沿纤维方向用力滚压2～3 次，使纤维内部补充、渗浸粘结树脂。

（8）进行空鼓检查，并进行处理。

（9）如碳纤维片施工不符合质量标准，则需进行相应处理，其中空鼓处理方法如下：

①注入粘结树脂法。在碳纤维片上打开2 个以上的孔，使用注射器注入粘结树脂（或低粘度型树脂）。

②割刀切人填充树脂修补法。沿纤维方向切入2～3 刀，用橡胶刮板。毛刷沾上适量粘结树脂，填进割开的缝内。

③补丁补修法。当贴片完全固化后，无法用割刀切开或注入树脂，或纤维片表面出现沼皱或松弛时，应采用此方法割去不良部分。重新粘贴碳纤维片。 6.2.6养护固化

（1）粘贴碳纤维片后，需自然养护24h 达到初期固化，并应保证固化期间不受干扰。 （2） 碳纤维片粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：平均气温在10℃以下时，需要2 周；平均气温在10℃以上20℃以下时，需要1～2 周；平均气温高于20℃时，需要1 周。在此期间应防止贴片部分受到硬性冲击。 6.2.7涂装

（1）若加固补强构件需要防火时，可在树脂固化后按业主要求涂刷耐火涂层。 （2）对加固补强构件有外观要求时，可在补强后涂刷所需色彩和质量的涂层。 （3）涂装应在树脂初期固化后进行，并应遵守所用涂料的相关标准和施工规定。 7.工程实例

苏州新区秀水苑2#、4#别墅的整体修复工程中，成功应用了碳纤维修复裂缝、补强混凝

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土结构技术，取得了明显的经济效益和社会郊益。秀水苑2#、4#别墅为二层砖混结构，由中铁建工集团苏州建设公司开发建设，北京中铁工建筑工程设计院设计。于2004年5月竣工交付时发现9栋别墅的二层楼面、屋面现浇板局部出现裂缝，较为严重的为贯通裂缝。于2004年8月进行修复，对楼面裂缝封闭灌浆处理后，加固碳纤维布材为索奇牌CF-HS-200R（0.111mm厚），采用碳纤维片材加固技术使其能够充分紧密地粘贴在混凝土结构表面，从而达到加固补强的目的。修补后交付使用至今效果良好。

(执笔人:上海分公司 金亚钧)

参考文献:

《碳纤维片修复补强混凝土结构工法》——YJGF40-2000 《碳纤维片材加固结构混凝土技术规程》——CECS146:2003 《混凝土结构加固技术规范》——CECS25 :90 《建筑产产品选用技术》——2004CPXY

《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土工程施工与验收暂行规定》

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