預應力碳板在混凝土加固工程中的施工工藝及控制重點分析

陳治希

一、碳纖維的概述

碳纖維具有優良的品質，質量輕，有著極強的抗拉拔性能，在與環氧樹脂協同工作時抗疲勞能力強、耐久性能好等特點，在混凝土結構加固中有著良好性能表現。以混凝土結構為例，在進行實際加固工程時一般使用高強型或高彈性模量型的復合碳纖維材料進行加固，高強型碳纖維材料的抗拉強度一般可達3800 MPa左右，與鋼筋的彈性模量相當，但其拉伸強度可達鋼筋的十倍以上；高彈性模量的碳纖維材料的拉伸強度為傳統鋼材的600%，其強度超過2400Mpa。

二、加固原理

由于良好的性能表現，碳纖維復合材料作為一種新型的建筑材料受到各國工程技術人員的青睞，廣泛應用于各個領域。混凝土結構的工作機理非常適用于采用碳纖維材料進行加固，其工作機理如下：

（1）鋼材和混凝土受到應力的作用下會共同發生形變,形成互相夾持的狀態。

（2）鋼筋和混凝土之間的相容性可保護鋼筋，鋼筋遇酸性物質就會生銹，混凝土材料為堿性材料，當遇到弱酸性環境時，可發生中和反應，間接地保護了鋼筋材料，為鋼筋材料充當“保護傘”的功能。

（3）在正常的受力機理情況下鋼筋的抗拉強度和彈性模量等方面的性能都優于混凝土。通常情況下兩種材料的彈性模量和抗拉強度的比值一般為：

根據上列公式計算得出N=5.56～6.67，即1m2的鋼筋大約等于6m2的混凝土，某些彈性模量較低的加固材料必須滿足最低的使用性能要求。

（4）使用樹脂涂在加固的混凝土結構表面，樹脂可以滲透到混凝土并和碳纖維材料形成一體，在混凝土結構發生應力變形時傳遞剪切力。在碳纖維材料的高強度和彈性模量的優秀性能下，利用預應力和結構形變應力進行抵消，以彌補鋼筋混凝土中抗拉不足的缺點。

（5）碳纖維材料的熱膨脹系數比約為1×10-5/℃，比混凝土和鋼筋小得多，換言之，如果外部溫度升至10℃，碳纖維材料就會產生大約24.675 MPa的溫度應力，但還沒有達到碳纖維極限強度(3400MPa)的1%，所以它的影響很小。

（6）碳纖維復合材料是由高強度、高彈性模量的單向排列的碳纖維經環氧樹脂滲透浸漬而成，它還是組成碳纖維板的基本材料。將環氧樹脂粘在混凝土結構受拉表面，樹脂固化后便與原混凝土結構形成一個整體，從而使碳纖維和鋼筋作為互補整體共同承受外力。雖然碳纖維板的質量很輕，但它能在混凝土結構中分擔很大一部分荷載，這就降低了鋼筋的應力，從而起到加固混凝土結構的作用。但也不是說碳纖維材料的強度越高越好，因為現有的混凝土強度有限，碳纖維材料強度過高與之不匹配，使碳纖維材料的張力發揮不了應有的作用，只有在廣泛應用碳纖維預應力筋束之后，才能使其充分發揮自身材料的性能。

（7）碳纖維是由碳原子構成的，碳原子具有穩定、堅硬的特性，對 CFRP材料來說，能承受化學腐蝕等多種復雜環境的影響，并能耐一定的高溫，因而在混凝土結構的加固中其作用不會產生影響。

（8）碳纖維有著許多優秀的特征，但卻很難直接作為增強材料，需要和其它材料進行結合使用，這主要是因為碳纖維為脆性材料，其勻質性決定了其表面上存在許多裂紋。所以，碳纖維通常和其它聚合物進行混合使用，如樹脂等，受益于樹脂材料的特性，樹脂可以均勻的分布在碳纖維上，使碳纖維保持相互獨立，碳纖維材料在和樹脂進行混合并在經過高溫拉擠壓處理成形。

（9）碳纖材料與鋼筋具有良好的互補性，當它們相互配合時，可以大大提高混凝土結構的承載能力和耐久性。

三、工程概況

某加固地下室工程的主要加固范圍是地下室頂板，加強處理方式：地下室頂板鋼支承提升、板底加筋、板底粘碳纖維板、板底粘鋼板、裂縫修補及加固后表面抹灰等工程，本文主要探討某加固地下室工程中板底粘碳纖維板的施工要點和工藝（見圖1）。

圖1 碳纖維板加固現場圖

四、施工工藝和流程

1.施工流程

清理障礙物→放線、驗線→清理粘板混凝土結構面→配制粘鋼膠→粘貼碳纖維板→固定碳纖維板→表面防護→報驗，圖2中顯示了具體情況。

圖2 碳板加固施工流程

2.施工工藝

（1）位置標定：根據加固設計施工圖紙以確定需要加固位置和位置線，位置線必須明確標明加固位置，且為便于施工，每側統一放置線外端放大3厘米。

（2）混凝土表面處理：首先進行表面處理，清除表層和浮渣，需要重點注意表面是否存在疏松面層，對于凹凸的表面需進行人工找補，同時對裂縫進行修補，先用角磨機將表面打磨，直到裸露出新鮮的混凝土。用壓縮空氣清除混凝土浮塵，如果表面有水漬則需要先進行干燥處理，然后再進行磨削。

（3）找平處理：如果有不平整的地方需要用找平材料重新補平，直到完全平整為止。

（4）鉆孔處理：根據放線進行鉆孔位置確定，并使用電錘進行鉆孔，同時清理孔位后植入螺栓，螺栓應垂直于混凝土表面。

（5）安裝錨具：將碳板兩面刷膠后裝入夾具中，同時應保證錨具的中心應和碳板中心一致。

（6）預應力加載：將夾具安裝到對應的固定板內，使用千斤頂進行預應力施加，通常預應力張拉為25kN，在預應力施加過程中，需要對加固結構的撓度變化進行監測，如發現數據異常應及時處理。

（7）固定碳板：預應力加載至指定范圍后，鎖緊固定板后卸載千斤頂，并對碳板表面刷膠后進行間隙張拉，待全部張拉完成后鎖緊拉桿，清理碳板上多余的結構膠。

（8）表面防護：在碳板四周刷入大于5cm厚的粘結劑用于防護，對錨具加裝防護，對于鋼制件的錨具，需要進行封油處理，同時對錨具加裝防護罩。

（9）碳板加固完成后，及時進行固化養護。

五、質量控制重點分析

（1）粘貼碳纖維板必須符合設計要求和加固行業的施工規范；

（2）膠層的中心應呈拱形，平均厚度不得小于2mm；

（3）要求墻墩與固定端間距＜100mm，與張拉端的末端間距大于200mm；

（4）平行粘貼多條碳纖維板時，兩條板帶間的間隙大于5mm；

（5）操作人員應穿著工作服，戴上防護面罩；

（6）建筑工地應配備各種必要的滅火器，以備救護之用；

（7）危險邊緣處需設置護身欄和紅色指示燈；

（8）各施工用架嚴格按照腳手架安全技術防護標準及規范進行搭設。

六、結語

本文以混凝土加固工程為研究課題，簡要地概述了碳纖維板的基本特性，闡述了碳纖維板在混凝土加固工程中的加固原理，從施工流程、工藝、質量管理、施工注意事項和現場安全保護措施幾方面對預應力碳板在混凝土加固工程中的施工工藝及控制作了重點分析。