碳纖維加固技術(shù)在房屋建筑加固施工中的應(yīng)用

鄭喜剛 邢玉姣 張海濤

（1 壽光市建筑業(yè)發(fā)展中心；2 壽光市市政公用事業(yè)服務(wù)中心）

近年來(lái)，建筑行業(yè)發(fā)展迅速，但早期建筑物隨著使用年限的不斷增長(zhǎng)，其服役階段多次受外力破壞及長(zhǎng)時(shí)間處在惡劣環(huán)境中等問(wèn)題逐漸暴露，進(jìn)而出現(xiàn)承載能力不足及耐久性能大幅度降低的質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致建筑物存在較大的安全隱患，對(duì)居民的人身安全造成嚴(yán)重威脅。為了保障人們的居住安全，提高人們的生活質(zhì)量，對(duì)既有建筑進(jìn)行安全加固，有效提高建筑物的承載能力，為居民的人身安全提供保障。目前，既有建筑結(jié)構(gòu)安全加固技術(shù)較多，比如預(yù)應(yīng)力加固、碳纖維加固等技術(shù)，其碳纖維加固技術(shù)憑其自身具有施工便捷、自重輕、耐久性優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，廣泛的應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)加固工程中，進(jìn)而增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性能[1]。本文以某砌體工程加固工程為例，探討碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在施工過(guò)程中的重難點(diǎn)，并給出施工過(guò)程中質(zhì)量管控措施。

1 工程概況

某房屋建筑加固工程，加固設(shè)計(jì)使用年限30 年，為砌體結(jié)構(gòu)，地上五層，建筑總面積3586.54m2，建筑總高度為18m，層高3.6m，樓板均采用預(yù)制混凝土樓板，抗震設(shè)防烈度為7 度，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.65kN/m2，基本雪壓為0.50kN/m2。

2 碳纖維加固技術(shù)在房屋建筑加固施工中的應(yīng)用

2.1工程檢測(cè)

本工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)砌筑砂漿強(qiáng)度、砌筑塊材性能、結(jié)構(gòu)損傷情況、構(gòu)造布置情況及抗震性能進(jìn)行檢測(cè)鑒定：第一，砌筑砂漿強(qiáng)度利用貫入法技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，強(qiáng)度第一至五層分別為5.3MPa、2.6MPa、2.1MPa、2.4MPa 和1.6MPa，則三至五層砂漿強(qiáng)度均不滿足低于MU2.5MPa的要求；第二，砌體塊材性能利用回彈儀進(jìn)行檢測(cè)，所測(cè)區(qū)域均無(wú)麻面等現(xiàn)象，各層墻體塊材強(qiáng)度檢測(cè)均為7.6MPa，其符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范；第三，建筑結(jié)構(gòu)損傷情況及構(gòu)造布置情況發(fā)現(xiàn)墻體無(wú)明顯傾斜、承重梁及墻體均無(wú)明顯裂縫、梁柱節(jié)點(diǎn)均無(wú)出現(xiàn)開(kāi)裂、露筋的現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)個(gè)別梁、柱出現(xiàn)配筋不足的質(zhì)量缺陷，且部分橫墻與縱墻之間未設(shè)置2Ф6 的通長(zhǎng)筋；第四，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，該建筑抗震性能不滿足相關(guān)規(guī)范，其具體要求為建筑抗震設(shè)防烈度應(yīng)達(dá)到8 度，橫墻間距不應(yīng)大于11m，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橫墻間距為15m。因此，根據(jù)檢測(cè)鑒定結(jié)果(見(jiàn)表1)，應(yīng)對(duì)該建筑部分構(gòu)件采取相應(yīng)的措施，加強(qiáng)構(gòu)件的剛度，提高構(gòu)件的使用壽命，從而提高該建筑的生命周期。

表1 工程檢測(cè)結(jié)果

2.2工程加固設(shè)計(jì)

本工程在選取加固方式時(shí)，有增大截面面積、碳纖維和外包鋼加固方式可選，其各種加固方法的比較如表2所示。

表2 不同加固技術(shù)比較

本加固工程存在工程量較大、施工工期短、交叉作業(yè)多等特性，且從表2 可以看出，采用碳纖維加固技術(shù)最合適，所選取碳纖維材料的相關(guān)性能見(jiàn)表3。此外，該碳纖維布為柔性材料，可以任意形狀應(yīng)用于構(gòu)件加固中，且不需要大型設(shè)備來(lái)輔助施工，常溫下不會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，粘結(jié)膠采取某研究院生產(chǎn)的LZ型結(jié)構(gòu)膠。

表3 碳纖維布材料性能

3 碳纖維加固技術(shù)施工技術(shù)

3.1構(gòu)件表面處理

本次施工對(duì)該建筑梁、柱構(gòu)件進(jìn)行外貼碳纖維布的方法，首先，對(duì)加固部位進(jìn)行定位放線，精準(zhǔn)定位加固位置，并做好相應(yīng)標(biāo)記；然后，對(duì)構(gòu)件表面采取人工機(jī)械打磨的方式，清除表面的灰層，并提出表面蜂窩、麻面的質(zhì)量缺陷，使原混凝土展露在表層，并采用磷酸鎂砂漿修復(fù)材料對(duì)原混凝土凹凸面進(jìn)行修整；最后，對(duì)混凝土轉(zhuǎn)角處特殊部位進(jìn)行導(dǎo)角處理，保證轉(zhuǎn)角處的光滑，避免對(duì)碳纖維布造成破壞。此外，混凝土表面平整后，進(jìn)行底膠涂刷施工，底膠主要是保障碳纖維布與混凝土表面粘結(jié)的可靠性，底膠涂刷時(shí)，外界溫度不低于5℃，濕度不大于85%，且遵守現(xiàn)用現(xiàn)配的原則，并超出粘結(jié)面積的20mm～30mm，養(yǎng)護(hù)1d 后，待其干燥，進(jìn)行下個(gè)環(huán)節(jié)的施工。

3.2粘貼碳纖維布

本次碳纖維布粘貼施工前，先利用張拉機(jī)械對(duì)其進(jìn)行張拉，張拉時(shí)對(duì)張拉位置進(jìn)行定位鉆孔，確保鉆孔位置的精準(zhǔn)度。根據(jù)加固施工圖紙，在完成張拉機(jī)械安裝后，應(yīng)將碳纖維布裁剪為所需形狀，并保證碳纖維布表面平整度，禁止出現(xiàn)彎折現(xiàn)象。然后，將碳纖維布鋪設(shè)至固定位置，并保證碳纖維完全處于卸載松弛狀態(tài)，之后對(duì)其表面進(jìn)行清理工作，保證碳纖維布表明的整潔程度。最后，對(duì)碳纖維布進(jìn)行結(jié)構(gòu)膠涂刷工作，再利用張拉機(jī)械對(duì)其進(jìn)行張拉，同時(shí)用滾筒沿著碳纖維布鋪設(shè)方向進(jìn)行壓實(shí)，使多余的結(jié)構(gòu)膠溢出。此外，對(duì)碳纖維布采用臨時(shí)木支撐方式，增強(qiáng)碳纖維布鋪貼的密實(shí)度，從而提高碳纖維布的施工效果，達(dá)到延緩結(jié)構(gòu)使用周期的目的。

3.3搭接施工

本工程在進(jìn)行碳纖維布粘結(jié)施工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)單層搭接和多層搭接現(xiàn)象。在碳纖維布粘貼出現(xiàn)單層搭接現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，其搭接長(zhǎng)度為10mm，并在碳纖維端部利用橫向碳纖維布的方式加強(qiáng)縱向碳纖維布粘貼的牢固效果；在碳纖維布粘貼出現(xiàn)雙層搭接現(xiàn)象時(shí)，重復(fù)單層搭接的粘貼方式，并在最后一層的碳纖維布面層刷結(jié)構(gòu)膠，其結(jié)構(gòu)膠厚度在1～2mm 以內(nèi)，從而提高碳纖維布的粘貼質(zhì)量。

3.4表面養(yǎng)護(hù)

本次碳纖維布粘貼完成后，對(duì)其表面進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)5d，且在結(jié)構(gòu)膠的浸透性達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求后，撤除張拉機(jī)械及定位裝置，并將多余的碳纖維布剪除。此外，在碳纖維布粘貼效果滿足現(xiàn)行相應(yīng)規(guī)范要求后，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行防火涂料的涂刷，之后進(jìn)行混凝土外表面密閉防護(hù)處理。

4 施工質(zhì)量驗(yàn)收

4.1混凝土界面

本工程相關(guān)人員對(duì)混凝土界面處理質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，驗(yàn)收結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土表面清理、打磨后的全部進(jìn)行了糙化處理，局部凹凸面均利用修補(bǔ)材料進(jìn)行找平，梁、柱的轉(zhuǎn)角處均進(jìn)行了引角處理，且圓弧角R 均大于25mm，混凝土表面的含水率為5%，底膠性能、配合比、使用原則、涂刷過(guò)程等均滿足相關(guān)規(guī)范要求，因此，本工程混凝土界面清理驗(yàn)收合格。

4.2碳纖維布粘貼施工

本工程對(duì)碳纖維布粘貼過(guò)程中是否有結(jié)構(gòu)膠浸出進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3 處結(jié)構(gòu)膠未浸出的現(xiàn)象，后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)刷結(jié)構(gòu)膠，保證碳纖維布的加固效果。

4.3施工質(zhì)量驗(yàn)收

本碳纖維加固施工質(zhì)量驗(yàn)收中，首先，利用錘擊法對(duì)碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果碳纖維布的有效粘結(jié)面積為98%，滿足相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)個(gè)別空鼓部位，采取針管注膠的方式，修復(fù)碳纖維布的粘結(jié)面積。然后，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)混凝土與碳纖維布的正拉粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，梁、柱構(gòu)件各抽取3 根，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所抽取的梁、柱構(gòu)件正拉粘結(jié)強(qiáng)度均≥2.5MPa，且混凝土破壞形式均為內(nèi)聚破壞，滿足相關(guān)規(guī)范要求。最后，每個(gè)構(gòu)件選取2 處進(jìn)行碳纖維膠層厚度檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維膠層厚度在1.3mm～1.9mm 之間，滿足相關(guān)規(guī)范要求。此外，利用鋼尺對(duì)所有碳纖維布的粘貼位置進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中心線偏差為9mm，長(zhǎng)度負(fù)偏差為12mm，均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，則該碳纖維加固施工質(zhì)量符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

5 碳纖維加固施工質(zhì)量控制

5.1原材料質(zhì)量控制

建筑加固工程采取碳纖維加固方法時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格依照以下幾點(diǎn)對(duì)碳纖維材料進(jìn)行：第一，嚴(yán)禁選用12K 以上、單位面積質(zhì)量大于300g/m2的碳纖維織物；第二，施工現(xiàn)場(chǎng)禁止出現(xiàn)原材料質(zhì)量不合格產(chǎn)品，則需相關(guān)人員嚴(yán)格把控原材料的質(zhì)量，比如隨機(jī)抽檢碳纖維的K數(shù)[2]、彈性模量等相關(guān)性能；第三，若以碳纖維織物復(fù)合材為原材時(shí)，需對(duì)其適配性進(jìn)行檢驗(yàn)，主要對(duì)層間剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及粘貼界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足相應(yīng)要求后，方可使用。此外，本建筑所采用的碳纖維加固技術(shù)均滿足以上要求，符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范。

5.2施工質(zhì)量控制

碳纖維加固技術(shù)在建筑加固工程施工過(guò)程中，首先保證原混凝土結(jié)構(gòu)打磨深度在1～3mm 之間，保證混凝土表面不會(huì)出現(xiàn)灰層等現(xiàn)狀；之后用酒精擦洗打磨過(guò)的混凝土表面，進(jìn)而除去打磨所產(chǎn)生的粉末及灰塵[3-6]；然后，結(jié)構(gòu)膠應(yīng)涂抹均勻，配合比應(yīng)保證其精準(zhǔn)度，粘貼時(shí)如遇低溫環(huán)境，應(yīng)采取加熱措施，嚴(yán)禁使用外加劑；最后，碳纖維布與構(gòu)件中混凝土的有效粘貼面積不低于95%，碳纖維布粘貼完成后，若發(fā)現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，空鼓面積大于10000mm2時(shí)，應(yīng)將原有的剔除，依照施工工序再次進(jìn)行碳纖維布的粘貼，空鼓面積小于10000mm2時(shí)，利用針管注入結(jié)構(gòu)膠，并用滾筒壓實(shí)，嚴(yán)禁反復(fù)進(jìn)行壓實(shí)，從而保證粘貼碳纖維布的施工質(zhì)量，提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文研究了碳纖維加固技術(shù)在既有建筑中的應(yīng)用，碳纖維加固技術(shù)可以大幅度提高既有建筑構(gòu)件的承載能力、耐久性及抗震性能，適用范圍較廣，施工便捷，最大程度的提高了建筑物的使用壽命。本項(xiàng)目加固完成后，未發(fā)現(xiàn)梁、柱等部位出現(xiàn)變形現(xiàn)象，經(jīng)多方聯(lián)合進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，其加固施工滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。