纖維增強復合材料在建筑結構加固工程中的應用研究

梁 龐

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，河南平頂山 467000）

纖維增強復合材料（Fiber reinforced plastic/polymer，簡稱FRP）是一種高性能新型材料，其主要由纖維材料與基體材料按一定的比例混合并經過相關工藝復合而成。FRP以其輕質、高強、耐腐蝕及施工便利等優勢，自20世紀60年代起便進入建筑結構加固領域，近年來逐步成為土木工程領域的一種新型結構材料，并受到了工程界的廣泛關注。對于FRP材料及其在加固混凝土結構領域的應用，從構件層次到結構整體，國內外眾多科研學者和材料生產廠家相繼進行了大量的設計試驗與理論研究，并取得了豐碩的成果［1-5］。目前，土木工程中常用的FRP材料主要包括樹脂基體的碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和芳綸纖維（AFRP），其中，碳纖維（CFRP）在建筑結構加固領域得到了廣泛的應用和推廣。

在建筑領域，混凝土結構是目前最為傳統和常見的一種結構形式?；炷两Y構在經歷較長的使用年限后，往往存在一定的開裂、破損、鋼筋銹蝕及滲水等病害，導致承載力不足，給后續使用帶來一定的安全隱患，因此，需要進行相應的加固處理，以保證結構性能符合使用要求。常見的混凝土結構加固方法較多，包括粘鋼法［6］、外包鋼法［7］、增大截面法［8］、托梁拔柱法［9］、碳纖維法［10］、預應力法［11］、套箍法［12］等等，各種結構加固方式在工藝、造價、應用效果等方面均有優劣，適用于不同的工程場合和工況。本文以某實際工程項目為例，通過分析工程現狀中存在的病害，具體總結碳纖維復合材料在建筑結構加固中的應用工藝。

1 工程概況

某汽車庫工程修建于20世紀90年代，采用兩層磚混結構，平面呈L形，長度為36.9m，寬度為9m/12m，其中一層層高為6.9m或4.5m，二層層高3.3m。墻體采用厚240mm的磚墻，樓板、屋面板為預制混凝土空心板。房間開間為3.3m和3.7m?；A形式為鋼筋混凝土條形基礎，埋深1.0m。

為更好地對該汽車庫進行利用，并考慮節約資源，避免拆除后再重建，現對其進行功能改造，使之成為具有一定利用價值的辦公樓，以滿足當下所需。在改造前，對該建筑現狀進行了摸排了解，發現模板、屋面板拼縫處裂縫較明顯，部分墻體也有裂縫出現。

2 加固方案設計

為了保持原有建筑的外貌，滿足使用空間的需求，考慮房屋結構現狀，擬對該建筑的樓板采用碳纖維加固，墻體采用粘鋼板加固。

碳纖維材料的抗拉強度較高，將其粘貼于混凝土構件上時，可以起到較好的抗彎作用和加固效果。在實施時，碳纖維材料的粘貼方向需要合理排布，其應與構件主要的受力方向互相平行，以便更好地發揮其抗彎效應。樓板負彎矩處在墻體部位需要加固，但由于碳纖維不易錨固，故采用粘鋼板進行加固。

本工程一層樓板的碳纖維加固布置如圖1所示，加固具體節點剖面如圖2所示。

圖1 項目一層樓板碳纖維加固平面布置Fig. 1 Layout of carbon fiber reinforced floor of the first floor of the project

圖2 碳纖維加固節點剖面Fig. 2 Section of CFRP strengthened joint

3 碳纖維加固關鍵工藝

3.1 施工工藝流程

圖3 碳纖維加固施工工藝流程Fig. 3 Construction process of carbon fiber reinforcement

3.2 施工前的準備

對施工作業人員進行技術和安全交底，使其掌握膠黏劑調配和纖維布粘貼工藝的操作要點，特殊作業人員需要持證上崗。同時，準備馬凳、鋼絲刷、腳手架、空壓機等后續可能需要加固補強的機具。在加固施工前，保證粘貼碳纖維布的構件上面沒有堆載現象，避免其處于受載狀態，影響后續加固效果。另外，施工前應按設計要求對需要加固構件的碳纖維布位置進行放線定位，保證施工精度。

3.3 基層處理及清洗

（1）采用角磨機打磨處理構件混凝土表面的抹灰層，直至露出混凝土密實結構。檢查構件是否有露筋現象，露筋時采用必要措施進行除銹。對構件存在凸出及缺損部分進行剔鑿或填補，保證基層平整。構件表面棱角打磨成內徑不小于20mm的棱角。

（2）對構件表面的裂縫進行處理。裂縫寬度大于等于0.2mm時，采用環氧樹脂膠以一定的壓力進行灌縫處理；裂縫寬度小于0.2mm時，采用結構修補膠進行表面封閉處理。

（3）用吹風機或棉絲等除去混凝土上的粉末和灰塵。清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。

3.4 涂刷底膠

底膠的涂刷有利于提高構件混凝土基層的強度，并更好地與碳纖維材料結合為整體。涂刷底膠前保證施工環境處于適宜的溫濕度范圍且基層干燥、無積水。底膠按產品說明書要求進行配制，一次性不得配制過多，以一次施工完成為準，多余的底膠不得在超過規定時間后繼續使用。

采用滾筒或刷子將底膠均勻涂刷于混凝土表面上，陰陽角或拐彎處適當涂厚點。底膠自然風干后，應將凸出于基層表面的部分用砂紙磨平，磨平后露出混凝土實體時應再次用底膠涂刷，直至基層平整且底膠均勻涂抹。

3.5 粘貼面找平

涂刷底膠后，為防止后續施工時基層粘貼面和纖維布之間起鼓膨脹，應采取措施對階差、針孔、凹凸處等進行處理，保證粘貼面平整。對于凹陷部分，應采用高強度修補料進行修補，確?；鶎悠秸?，保證粘貼效果。修補料加固后強度達一定程度時方能進行下一道工序。

3.6 纖維布粘貼

按照規定比例稱重配制碳纖維膠水，低速混合攪拌，使膠體顏色均勻無氣泡。在粘貼面上按設計要求彈出相應尺寸線，根據尺寸準確裁剪纖維布。纖維布裁剪量以當天用完為準，裁剪后施工中如需接長，其接長量宜大于20cm。粘貼施工時，應將纖維布對準劃線位置，并按照一定的順序，由上至下或從左向右有序進行。一邊粘貼纖維布一邊用壓板將纖維布與基層混凝土之間的空氣排出，并實時觀察嚴密性情況，保證粘貼密實，出現氣泡或間隙時及時處理。粘貼時，應保證纖維布被膠水充分浸潤，以保證粘結效果，同時構件兩端不整齊時，可由中心向兩側方向進行粘貼。碳纖維布具體的粘貼方法如圖4所示。

圖4 碳纖維布的粘貼方法Fig. 4 Sticking method of carbon fiber cloth

3.7 面膠涂刷

在碳纖維布粘貼完成后，應在其表面上再涂刷一層面膠。涂刷面膠時應沿著碳纖維的方向均勻涂刷，保證面膠充分浸濕纖維布。纖維布施工時一般以一層一天為進度，每天工作結束后均應保證及時地進行面膠涂刷，不得拖延至第二天。面膠涂刷后待其自然風干，風干后檢查其表面有無纖維布剝落、浮起、褶皺等不良現象，有則及時進行刮平、擠泡等修正處理。

3.8 固化養護

碳纖維布粘貼施工時不得同時進行會產生灰塵的相關作業，且需要待其自然養護至具備初步強度，在這之前（一般為24～48 h），不得使粘貼纖維布的構件受力或其他擾動。養護期間應保持一定的溫度，一般為20～30 ℃。溫度較低時應適當延長養護時間。碳纖維布養護完成后，可采用邵氏硬度計檢濁其膠層厚度，并采用粘結強度檢濁儀檢濁其粘結強度，保證其達到相應的加固效果。

本工程樓板及梁的碳纖維布加固實景如圖5、圖6所示。

圖5 樓板碳纖維加固實景Fig. 5 Real view of floor strengthened with CFRP

圖6 梁底碳纖維加固實景Fig. 6 Real view of beam bottom strengthened with CFRP

3.9 防護面層處理

在纖維布面膠干燥后，需按照設計要求對碳纖維表面采取防護措施。在構件有防火要求時，可進一步采取防火涂料或水泥等進行涂裝處理。防護涂裝前，應確保碳纖維粘貼質量通過驗收。

4 質量控制及檢驗

4.1 質量控制

（1）原材料檢驗。施工前對原材料進行質量把控，在監理和試驗員共同見證下，隨機抽取碳纖維布（一般為5m）和配套的粘結膠樣品（一般為1kg）并送至第三方檢驗機構進行檢濁，檢濁項目主要包括抗拉強度、彈性模量和伸長率等，確認其符合設計要求后方可入場使用，從源頭確保工程的施工質量。

（2）施工過程控制。編制碳纖維布的專項施工方案，并通過監理單位審批，施工前務必落實技術交底，保證工人的操作水平。在大面積施工之前，應采取“樣板先行”制度，通過樣板工程進行工藝參數和方法的驗證和優化，從而保證后期大面施工時的一次成活率，避免返工帶來的工期延誤和成本增加。

（3）碳纖維布的空鼓處理。在碳纖維施工過程中，空鼓是較為常見的一種不良現象。此時應及時進行技術處理，避免粘貼質量不達標影響加固效果。對于空鼓問題，當其面積不大（小于10000mm2）時，可采用注膠法進行補充注射；而當空鼓面積較大時（大于等于10000 mm2）時，則需要將此處空鼓位置剪切割除，再重新粘貼碳纖維布。在重新粘貼時，其沿纖維方向（順紋）的每端搭接量不得少于200mm，如果補充粘貼層數超過三層，則相應的搭接量應不少于300mm。

4.2 質量檢驗

碳纖維布施工完成后，應按一定的標準對其施工質量進行檢驗，具體檢驗標準如下。

（1）粘結膠與碳纖維充分浸潤，膠水深入碳纖維布的每一個細小結構之中，將纖維絲粘合在一起，達到共同承載外力的目的。

（2）碳纖維布與構件的混凝土基層粘結牢固，粘結強度達到預期要求。

（3）碳纖維布外觀上沒有偏移、起鼓、褶皺、松脫等不良現象，搭接處的長度符合設計要求。

（4）加固位置處的碳纖維布施工方向、位置、層數及尺寸等與設計方案要求的一致。

5 結語

在建設工程中，利用碳纖維布對老舊建筑以及受損建筑進行增強和加固的應用越來越多，現今此項工程技術已日趨成熟。利用碳纖維對結構進行加固的方法，具有耐久性好、施工簡便、不加大截面、不增加荷載以及外形美觀等諸多優勢。本工程汽車庫建筑由于年久失修且使用功能已不符合建設單位的需要，因此通過采用碳纖維布進行加固補強的方法，在加固受損樓板、墻體等構件的同時，達到了轉換建筑使用功能的目的，避免了拆除重建帶來的資源浪費和成本投入，具有良好的社會與經濟效益。