纤维增强复合材料在建筑结构加固工程中的应用研究

梁 庞

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，河南平顶山 467000）

纤维增强复合材料（Fiber reinforced plastic/polymer，简称FRP）是一种高性能新型材料，其主要由纤维材料与基体材料按一定的比例混合并经过相关工艺复合而成。FRP以其轻质、高强、耐腐蚀及施工便利等优势，自20世纪60年代起便进入建筑结构加固领域，近年来逐步成为土木工程领域的一种新型结构材料，并受到了工程界的广泛关注。对于FRP材料及其在加固混凝土结构领域的应用，从构件层次到结构整体，国内外众多科研学者和材料生产厂家相继进行了大量的设计试验与理论研究，并取得了丰硕的成果［1-5］。目前，土木工程中常用的FRP材料主要包括树脂基体的碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芳纶纤维（AFRP），其中，碳纤维（CFRP）在建筑结构加固领域得到了广泛的应用和推广。

在建筑领域，混凝土结构是目前最为传统和常见的一种结构形式。混凝土结构在经历较长的使用年限后，往往存在一定的开裂、破损、钢筋锈蚀及渗水等病害，导致承载力不足，给后续使用带来一定的安全隐患，因此，需要进行相应的加固处理，以保证结构性能符合使用要求。常见的混凝土结构加固方法较多，包括粘钢法［6］、外包钢法［7］、增大截面法［8］、托梁拔柱法［9］、碳纤维法［10］、预应力法［11］、套箍法［12］等等，各种结构加固方式在工艺、造价、应用效果等方面均有优劣，适用于不同的工程场合和工况。本文以某实际工程项目为例，通过分析工程现状中存在的病害，具体总结碳纤维复合材料在建筑结构加固中的应用工艺。

1 工程概况

某汽车库工程修建于20世纪90年代，采用两层砖混结构，平面呈L形，长度为36.9m，宽度为9m/12m，其中一层层高为6.9m或4.5m，二层层高3.3m。墙体采用厚240mm的砖墙，楼板、屋面板为预制混凝土空心板。房间开间为3.3m和3.7m。基础形式为钢筋混凝土条形基础，埋深1.0m。

为更好地对该汽车库进行利用，并考虑节约资源，避免拆除后再重建，现对其进行功能改造，使之成为具有一定利用价值的办公楼，以满足当下所需。在改造前，对该建筑现状进行了摸排了解，发现模板、屋面板拼缝处裂缝较明显，部分墙体也有裂缝出现。

2 加固方案设计

为了保持原有建筑的外貌，满足使用空间的需求，考虑房屋结构现状，拟对该建筑的楼板采用碳纤维加固，墙体采用粘钢板加固。

碳纤维材料的抗拉强度较高，将其粘贴于混凝土构件上时，可以起到较好的抗弯作用和加固效果。在实施时，碳纤维材料的粘贴方向需要合理排布，其应与构件主要的受力方向互相平行，以便更好地发挥其抗弯效应。楼板负弯矩处在墙体部位需要加固，但由于碳纤维不易锚固，故采用粘钢板进行加固。

本工程一层楼板的碳纤维加固布置如图1所示，加固具体节点剖面如图2所示。

图1 项目一层楼板碳纤维加固平面布置Fig. 1 Layout of carbon fiber reinforced floor of the first floor of the project

图2 碳纤维加固节点剖面Fig. 2 Section of CFRP strengthened joint

3 碳纤维加固关键工艺

3.1 施工工艺流程

图3 碳纤维加固施工工艺流程Fig. 3 Construction process of carbon fiber reinforcement

3.2 施工前的准备

对施工作业人员进行技术和安全交底，使其掌握胶黏剂调配和纤维布粘贴工艺的操作要点，特殊作业人员需要持证上岗。同时，准备马凳、钢丝刷、脚手架、空压机等后续可能需要加固补强的机具。在加固施工前，保证粘贴碳纤维布的构件上面没有堆载现象，避免其处于受载状态，影响后续加固效果。另外，施工前应按设计要求对需要加固构件的碳纤维布位置进行放线定位，保证施工精度。

3.3 基层处理及清洗

（1）采用角磨机打磨处理构件混凝土表面的抹灰层，直至露出混凝土密实结构。检查构件是否有露筋现象，露筋时采用必要措施进行除锈。对构件存在凸出及缺损部分进行剔凿或填补，保证基层平整。构件表面棱角打磨成内径不小于20mm的棱角。

（2）对构件表面的裂缝进行处理。裂缝宽度大于等于0.2mm时，采用环氧树脂胶以一定的压力进行灌缝处理；裂缝宽度小于0.2mm时，采用结构修补胶进行表面封闭处理。

（3）用吹风机或棉丝等除去混凝土上的粉末和灰尘。清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。

3.4 涂刷底胶

底胶的涂刷有利于提高构件混凝土基层的强度，并更好地与碳纤维材料结合为整体。涂刷底胶前保证施工环境处于适宜的温湿度范围且基层干燥、无积水。底胶按产品说明书要求进行配制，一次性不得配制过多，以一次施工完成为准，多余的底胶不得在超过规定时间后继续使用。

采用滚筒或刷子将底胶均匀涂刷于混凝土表面上，阴阳角或拐弯处适当涂厚点。底胶自然风干后，应将凸出于基层表面的部分用砂纸磨平，磨平后露出混凝土实体时应再次用底胶涂刷，直至基层平整且底胶均匀涂抹。

3.5 粘贴面找平

涂刷底胶后，为防止后续施工时基层粘贴面和纤维布之间起鼓膨胀，应采取措施对阶差、针孔、凹凸处等进行处理，保证粘贴面平整。对于凹陷部分，应采用高强度修补料进行修补，确保基层平整，保证粘贴效果。修补料加固后强度达一定程度时方能进行下一道工序。

3.6 纤维布粘贴

按照规定比例称重配制碳纤维胶水，低速混合搅拌，使胶体颜色均匀无气泡。在粘贴面上按设计要求弹出相应尺寸线，根据尺寸准确裁剪纤维布。纤维布裁剪量以当天用完为准，裁剪后施工中如需接长，其接长量宜大于20cm。粘贴施工时，应将纤维布对准划线位置，并按照一定的顺序，由上至下或从左向右有序进行。一边粘贴纤维布一边用压板将纤维布与基层混凝土之间的空气排出，并实时观察严密性情况，保证粘贴密实，出现气泡或间隙时及时处理。粘贴时，应保证纤维布被胶水充分浸润，以保证粘结效果，同时构件两端不整齐时，可由中心向两侧方向进行粘贴。碳纤维布具体的粘贴方法如图4所示。

图4 碳纤维布的粘贴方法Fig. 4 Sticking method of carbon fiber cloth

3.7 面胶涂刷

在碳纤维布粘贴完成后，应在其表面上再涂刷一层面胶。涂刷面胶时应沿着碳纤维的方向均匀涂刷，保证面胶充分浸湿纤维布。纤维布施工时一般以一层一天为进度，每天工作结束后均应保证及时地进行面胶涂刷，不得拖延至第二天。面胶涂刷后待其自然风干，风干后检查其表面有无纤维布剥落、浮起、褶皱等不良现象，有则及时进行刮平、挤泡等修正处理。

3.8 固化养护

碳纤维布粘贴施工时不得同时进行会产生灰尘的相关作业，且需要待其自然养护至具备初步强度，在这之前（一般为24～48 h），不得使粘贴纤维布的构件受力或其他扰动。养护期间应保持一定的温度，一般为20～30 ℃。温度较低时应适当延长养护时间。碳纤维布养护完成后，可采用邵氏硬度计检浊其胶层厚度，并采用粘结强度检浊仪检浊其粘结强度，保证其达到相应的加固效果。

本工程楼板及梁的碳纤维布加固实景如图5、图6所示。

图5 楼板碳纤维加固实景Fig. 5 Real view of floor strengthened with CFRP

图6 梁底碳纤维加固实景Fig. 6 Real view of beam bottom strengthened with CFRP

3.9 防护面层处理

在纤维布面胶干燥后，需按照设计要求对碳纤维表面采取防护措施。在构件有防火要求时，可进一步采取防火涂料或水泥等进行涂装处理。防护涂装前，应确保碳纤维粘贴质量通过验收。

4 质量控制及检验

4.1 质量控制

（1）原材料检验。施工前对原材料进行质量把控，在监理和试验员共同见证下，随机抽取碳纤维布（一般为5m）和配套的粘结胶样品（一般为1kg）并送至第三方检验机构进行检浊，检浊项目主要包括抗拉强度、弹性模量和伸长率等，确认其符合设计要求后方可入场使用，从源头确保工程的施工质量。

（2）施工过程控制。编制碳纤维布的专项施工方案，并通过监理单位审批，施工前务必落实技术交底，保证工人的操作水平。在大面积施工之前，应采取“样板先行”制度，通过样板工程进行工艺参数和方法的验证和优化，从而保证后期大面施工时的一次成活率，避免返工带来的工期延误和成本增加。

（3）碳纤维布的空鼓处理。在碳纤维施工过程中，空鼓是较为常见的一种不良现象。此时应及时进行技术处理，避免粘贴质量不达标影响加固效果。对于空鼓问题，当其面积不大（小于10000mm2）时，可采用注胶法进行补充注射；而当空鼓面积较大时（大于等于10000 mm2）时，则需要将此处空鼓位置剪切割除，再重新粘贴碳纤维布。在重新粘贴时，其沿纤维方向（顺纹）的每端搭接量不得少于200mm，如果补充粘贴层数超过三层，则相应的搭接量应不少于300mm。

4.2 质量检验

碳纤维布施工完成后，应按一定的标准对其施工质量进行检验，具体检验标准如下。

（1）粘结胶与碳纤维充分浸润，胶水深入碳纤维布的每一个细小结构之中，将纤维丝粘合在一起，达到共同承载外力的目的。

（2）碳纤维布与构件的混凝土基层粘结牢固，粘结强度达到预期要求。

（3）碳纤维布外观上没有偏移、起鼓、褶皱、松脱等不良现象，搭接处的长度符合设计要求。

（4）加固位置处的碳纤维布施工方向、位置、层数及尺寸等与设计方案要求的一致。

5 结语

在建设工程中，利用碳纤维布对老旧建筑以及受损建筑进行增强和加固的应用越来越多，现今此项工程技术已日趋成熟。利用碳纤维对结构进行加固的方法，具有耐久性好、施工简便、不加大截面、不增加荷载以及外形美观等诸多优势。本工程汽车库建筑由于年久失修且使用功能已不符合建设单位的需要，因此通过采用碳纤维布进行加固补强的方法，在加固受损楼板、墙体等构件的同时，达到了转换建筑使用功能的目的，避免了拆除重建带来的资源浪费和成本投入，具有良好的社会与经济效益。