碳纤维布加固混凝土梁的施工应用研究

张翔飞

中铁十四局集团有限公司 山东济南 250014

摘要：近年来，国内外学者都逐渐提高了对于碳纤维布加固混凝土结构的关注，这一技术也因此得到了飞速发展，在土建工程项目中实现了广泛运用。本文将简要介绍碳纤维布开槽加固混凝土梁技术，探究此类技术的应用，充分明确此类加固技术的特点及优势，明确此类工艺在实际施工过程中的注意事项，以促进其在土木工程领域的运用，充分发挥其施工便捷、操作简单、加固效果好等优势，实现高质量的施工。

关键词：碳纤维布；加固设计；加固施工

碳纤维加固混凝土梁结构技术是一种介于新技术材料及土建之间的交叉学科，已经在世界各国得到了广泛运用，我国也正积极致力于探索碳纤维加固技术的全新发展方向。该项技术具有良好的耐久性能，且施工相对较为便捷，技术安全性较高，可以很好适应各类复杂的外形结构，且不会对其原结构外观造成不良影响，在实际施工过程中也无需利用扰动结构的构造措施实施固化处理，已经在梁结构修复加固施工中得到了充分运用。

1 常用加固方法比较

为有效解决梁加固维修中所存在的问题，现阶段，常采用的混凝土梁加固方法主要包含以下类型：

第一，外包钢筋混凝土面层加固法，在原有的梁构件外表面增设钢筋混凝土面层，以提升构件的断面，让构件的承载水平得到切实提升，以充分展现其刚度及动力性能优势。采取此类加固技术，可以充分提升构件的刚度及承载力，且施工相对便捷，但是仍然存在加固周期过长的缺点。

第二，粘钢加固法。使用粘结剂进行粘贴，连接钢板和原梁构件，以促进梁承载力及延性提升。此类加固方法常表现出施工便捷的优势，对使用的影响相对较小，但是，在实际使用过程中需要耗费大量的资金进行钢板养护，同时，由受到粘接剂的影响，对其使用环境温度带来了一定限制。

第三，体外植筋法，要求在原有梁的构件上设置预应力筋，以促进梁结构承载力及延性提升，此类技术具有施工便捷的优势，且施工周期相对较短，不会对构建材料的正常使用造成影响，但是，其后期养护费用相对较高，也相应提高了对于原本梁腹板及横隔板的要求。

第四，碳纤维布加固法，使用环氧树脂粘贴剂进行粘贴，沿着受拉或垂直方向进行碳纤维布粘合，以补强梁结构，使其得以形成一个新的复合体，让碳纤维和原本的钢筋混凝土可以实现共同受力，以促进结构抗弯及抗剪能力提升。该技术的优点主要在于碳纤维材料自身良好的物理力学性能，且其材料抗拉强度可以达到普通钢筋的10倍左右。此类材料的弹性模量介于2．3×10⁵MPa～5．8×10⁵ MPa之间，可以适用于钢筋混凝土结构加固，且材料质地十分柔软，具有较十分广泛的适用范围，且耐久性及耐腐蚀性相对较好。然而，由于使用经验仍然不够丰富，且材料成本过高，同时，由于受到粘结剂的影响，对环境温度造成了一定限制，要求将其温度控制在60℃以内。

综合比较上述加固技术，由于碳纤维布加固技术表现出施工便捷、比重小等特点，且具有良好的耐久性能和耐磨损性，不需要使用过多的模板及大型机械设备，也无需受到施工条件的束缚，不会对原结构外形造成过多影响，已经逐渐成为混凝土结构修复补强技术领域的重要技术^[1]。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

以某商业楼为例，该商业楼共有4层地上结构和地下1层结构，地上建筑面积和地下建筑面积分别为8799.9m²和2553.08m²，其地上建筑主要为沿街商业街，至于地下建筑，则主要作为车库，该建筑长度及宽度分别为125.4m和22.15m，主体为钢筋混凝土框架结构，柱距长为9.8×8.7m，基础结构为柱下独立基础结构加防水板，现已完成全部主体结构施工，可以进行后续填充墙砌筑操作。

2.2 加固改造原因

该建筑原本的功能设计情况如下：建筑一二层为相同商户，在户内设置有一步楼梯，商户宽度在一个或两个柱网之间，每家商户所占面积从200—400平方米不等；至于建筑三层，则为一大户商户，其总面积为2491m²；建筑四层空间在内收处理后分成了3个不同商户，每个商户面积从191到289m²不等。

在建筑预售前期，结合销售调研及房产市场现状可以确定，原本设计方案中的一、二、三层商业面积普遍较大，也相应增加了购买方的资金压力，客户群体普遍难以承受这一压力，使得楼盘销售压力相对较大。深入分析这一问题后，最终决定，针对一二层的商业格局进行调整，将一户商业调整为上下两户结构，取消原本的户内小楼梯，用二层连廊通道的方式予以替代，利用共用楼梯连接二层的各个商户，同时，针对四层中面积较大的商户予以划分，将其划分成不同的小商户，并减小每户面积。

2.3 加固方法选择

针对调整后的建筑方案条件图予以分析，发现其楼面荷载并未发生过大变化，但是每层梁上砌体的填充墙位置都发生了一定调整，需要进行重新计算，以实现对其结构的复核，最终确定，现有的设计方案中有约83根梁的承载力无法达到相应标准，结合《混凝土结构加固设计规范》，确定可以采取如下方式实施加固处理：

2.3.1 增大截面加固法

将这一技术运用于需大幅提升承载力的梁结构之中，所能起到的提升幅度已经超出了40%，且方法使用相对传统直观，易于操作，具备良好的耐久性能，且材料造价一般相对较低，具有十分广泛的应用环境范围，与原结构相比，其耐高温性能及耐腐蚀性能都不存在过大的差异，可以让其结构设计使用期限得到充分保障。

然而，由于需要使用振动器材进行剔凿漏筋处理，若施工不够规范，或存在暴力施工的问题，则可能对原结构造成不同程度的损坏，需要在后加截面位置上进行支模浇筑混凝土施工，需要耗费大量的人力物力资源，且施工周期相对较长。同时，使用这种方法可能导致梁截面大幅提升，相应降低梁下建筑空间净高度，限制了净高受限结构的充分运用。

2.3.2 粘钢加固法

使用此种加固方式，可以让性能良好的混凝土和钢板形成一个统一的整体，以促进构件刚度及抗裂性能提升，让粘钢构件的抗弯、抗剪及抗压性能得到充分展现，其所占用的结构空间相对较小，且不会受到结构外观及使用空间的过多影响。

然而，由于在破坏机理领域的研究尚未成熟，且对于粘结剂抗老化性能及粘结强度的研究都有待深入，缺乏对于动荷载作用下粘钢加固性能的深入研究，使得技术应用存在许多问题。同时，该技术的适用范围相对较小，往往只能应用于静力作用下的受弯及受拉构件，对混凝土强度提出了较高要求，需要将其控制在C15以下，且将环境温度控制在60℃以内，相对湿度控制在70%内，在一定程度上限制了其应用。

2.3.3 粘贴纤维复合材加固法

碳纤维的性能良好，可以充分确保碳纤维的施工质量。在实际施工过程中，由于碳纤维自身具备良好的柔韧性，可以有效节约操作空间，同时，碳纤维加固施工的步骤相对简单，且便于操作，无需在施工现场设立固定设施，且施工速度相对较快，施工周期短，使用碳纤维房屋加固技术进行施工，可以发挥良好的防腐蚀效果。此外，使用这一技术，无需增加楼层自身重量，所以安全性更高，也更加耐用。

但是，这一技术的成本较高，且对施工技术的要求相对较高。

结合本工程实际，由于本工程项目工期相对紧迫，且施工速度较快，需要尽量避免对原有结构造成振动损坏，同时减少对于楼层净高的影响，在综合分析后，确定选用粘贴纤维复合材加固法实施加固处理^[2]。

3 碳纤维布加固框架梁设计

3.1 碳纤维布设计

实施受弯加固处理，要求充分确保碳纤维片材纤维方向与受拉区拉应力方向的一致性。由于梁底的宽度为350毫米，在实施加固时，需要将碳纤维布的幅宽效应和框架梁下的受拉范围调整到合理区间，运用300毫米的碳纤维布，将其分成两层粘贴在框架梁底部，在其上方粘贴宽度为100毫米的碳纤维布“U”形箍，在其两侧面上边缘部位分别粘贴2条宽度为100毫米的碳纤维布条，在其上部固定碳纤维布“U”形箍,同时，在框架梁顶部两端分别粘贴1条宽度为100毫米的碳纤维布压条。

3.2 配套树脂粘结材料设计

利用主剂和固化剂可以配置成配套树脂，二者分别为冬用型和夏用型配置剂，将二者进行分别包装，并结合施工现场工艺要求，按照相应的比例进行均匀混合，在实际使用时形成所需的粘结树脂、底层树脂和找平树脂。

利用粘结树脂，可以让碳纤维布和混凝土实现高度粘结，以充分发挥其共同承受结构的作用；使用底层树脂，可以有效增强表面混凝土材料和找平材料的粘贴强度；利用找平树脂，可以使其表面平整度更适应施工需求，并与底层树脂进行充分粘结，充分发挥其粘结优势^[3]。

4 施工方法

4.1 基层处理

实施碳纤维加固处理，要求针对混凝土表面实施基层处理，确定构件的实际裂纹状态。在实施基层处理前，本工程针对加固梁结构实施了全面检查，未发现其中存在有害裂缝，为此，无需进行裂缝处理，若在检查过程中发现了裂缝，则需针对裂缝性质实施全面分析界定，找到其中的有害裂缝并予以及时修补，以便实施后续工序。

在本工程的梁底和梁面部位均未实施粉刷层施工，因此，可以直接实施基层处理。针对混凝土表面的浮浆及油渍予以打磨处理，平整混凝土表面，使用毛刷清除掉表面的粉尘，以提升混凝土基层的干燥性，使其达到充分平整的装填，清除其中的灰尘。至于梁底部，则需在其上粘贴U形碳纤维布，并进行抗剪加固处理，将其当做梁底碳纤维加固锚固的重要基础。实施粘贴前，要求针对这一部位进行打磨，将其打磨成半径为2厘米的圆弧，避免因应力过于集中而影响结构补强效果，此外，要求在锚固加强区中每隔5厘米设置一道刻痕，以提升粘贴效果。

4.2 备料、配胶

结合设计要求尺寸，做好裁剪备料工作，使用剪刀或刀片实施裁切。在安放裁剪CFRP材料时，应尽量避免在室外放置材料，而是要将其放置于灰尘和污染较少的地方，规避人为脚踩的问题，同时，避免尖锐物品直接接触到碳纤维布。粘接剂的质量将会直接影响其加固效果，为此，需要选用质量良好且信誉较高的粘接剂材料，在实施配制时，要求针对拌和容器进行全面清洁，避免在其中出现过多的粉尘、水分及油渍。在每次拌和处理时，要求将拌和重量控制在5000g以内，沿同一方向进行拌和搅拌，直到肉眼看不到明显丝状和色差位置。应尽量避免在室外或灰尘较多的区域进行拌和，同时，确保可以在40分钟内使用完拌和好的拌合剂，即使未能在这一时间内使用完，也不能重复利用。

4.3 CFRP补强粘贴

在涂抹粘结剂前，要求针对混凝土表面实施细致检验，确定其表面不存在结露问题且未接触到水分，避免因湿气过高而引起树脂作用，进而干扰其胶化进程。待确认基地干燥后，可以使用抹刀进行处理，在混凝土表面涂抹粘接剂，将其厚度控制在1-3毫米左右。在进行碳纤维布粘贴时，要求将气候条件控制在10℃以上，同时，将其精准粘贴在需要加固处理的部位，拉紧压实纤维结构，使用刮刀沿纤维方向进行处理，以清除其中的气泡，让碳纤维布和胶得以充分浸润。在施工过程中，要求沿纤维方向进行刮平处理，避免在单个方向上随意刮抹，此外，可以利用塑胶滚轮装置，沿纤维方向进行反复滚压，让贴片得以充分浸含树脂，同时清除其中的气泡，若在拱起部位及角落中出现了气泡，则需细致清除，以免出现皱褶。处理碳纤维布时，可以采取搭接的方式，将交接处的实际搭接长度控制在10厘米以上。

图1 梁顶加固处理图

4.4 养护工程

在完成碳纤维布贴片施工后，要求在其周围使用明显的标志进行围护，以免因人员随意进出而对碳纤维布材料造成污染，可以使用塑胶布进行覆盖，将覆盖时间控制在一天以上，以有效规避雨淋、风砂及灰尘污染，避免覆盖布与施工面直接接触。在实施屋面找平层施工前，要求在碳纤维布上涂刷胶水，以免造成防水层空鼓，待养护1周后，可以在其上适当荷载量。

5 碳纤维布结构加固效果评析

碳纤维布加固梁技术现已实现了广泛运用，在实施处理后，可能表现出如下形式的梁结构破坏类型：第一，受压区混凝土破坏；第二，碳纤维布拉断破坏；第三，粘结破坏；第四，混凝土交界面剥离破坏。

经分析确定，碳纤维加固效果及其破坏类型将直接决定施工质量，为此，要求在施工实践中积极探索并总结出高效的施工质量技术措施，在实施加固前针对各类可能出现的情况予以全面分析，以便采取针对性的措施，高效解决施工中各类潜在问题。试验结果表明，将碳纤维加固技术应用于配筋率较小的梁结构之中，可以发挥良好的加固效果，而本工程中的屋面梁配筋率普遍较低，因此碳纤维加固方法十分适用。

在进行碳纤维布粘结时，若采取了不同的胶进行粘结，则可能导致碳纤维布在统一受力条件下发生不同程度的损伤，为此，需要在施工开始前细致做好粘结胶选择，挑选出高信誉和高可靠性的品牌。此外，要求选择专业化的队伍实施胶配置涂刷，细致做好碳纤维布粘贴，以充分确保胶结的质量。针对受剪区所粘贴的U型纤维布实施锚固处理，可以实现良好的梁底纤维锚固效果，以促进梁抗剪能力提升，有效抑制斜裂缝的发展，降低梁结构粘结破坏的风险。本工程项目在受剪区进行U型碳纤维布粘贴，可以有效提升梁结构的抗剪承载力，发挥良好的锚固效果，同时，充分限制裂缝的发展。在设备安装完成后针对所加固区域之中的梁结构实施重复检查，未发现裂缝问题。

将碳纤维布技术应用于项目工程实践之中，可以发挥良好的加固效果，且效率和抗拉强度相对较高，不会增加结构自重及截面尺寸，施工相对便捷，无需使用大型机具进行处理，也不用采取其他固定措施，表现出极佳的耐久性及抗腐蚀性优势。然而，与此同时，碳纤维加固技术在实际运用过程中也存在一定弊端，若无法充分确保施工质量，则可能相应影响加固效果，为此，需要充分考虑各类可能的碳纤维加固影响因素，并采取积极的应对措施，以充分确保施工质量。

6 结束语

结合具体的加固原理可以确定，在正式施工开始前，要求挑选出适合的粘接剂，细致查看材料质保书及使用说明，以充分把握材料的不同参数，确保材料强度，使其得以充分适应碳纤维丝及碳纤维布的使用需求。在实际施工阶段，需要细致查看使用说明，积极做好胶处理措施，确保碳纤维布粘贴胶可以充分渗透到碳纤维丝之中，以实现良好的共同工作效果。在本次商场施工中，笔者深刻体会到了碳纤维结构加固技术的优势，使用这一技术，仅使用脚手架进行安装便可以充分确保施工安全性，且碳纤维布的裁剪相对简单，可以结合其形状及尺寸自由裁剪，不会受到支架的遮挡，施工相对便捷，表现出十分光明的应用前景。

参考文献

[1]曹玉祥,安璐,全学友. 基于新型预应力CFRP技术梁板柱关键结构研究[J]. 科技风,2020(36):123-126.

[2]张坤. 碳纤维材料加固修补与基材混凝土的正拉粘结检测探析[J]. 安徽建筑,2020,27(6):90,180.

[3]魏涛. 碳纤维布在水库加固工程中的应用[J]. 粘接,2019,40(12):12-15.