碳纤维加固技术

摘要：介绍预应力碳纤维布加固混凝土梁的施工机具及工作原理，系统阐述现场施工

工艺。试验结果证实，作者设计的施工机具锚固可靠，预应力损失小，操作简单，方便实用，可有效地对受弯构件进行预应力碳纤维布加固，完全满足预应力碳纤维布加固技术的要求，可直接应用于实际工程中。

   碳纤维布由于具有强度高、质量轻、耐久性及耐腐蚀性好、施工方便等优点，被广泛应用于土木工程加固，特别是对旧桥、旧建筑的加固。然而，采用直接粘贴碳纤维布的混凝土受弯构件存在碳纤维布不能充分被利用和使用阶段加固效果不明显等问题，用预应力碳纤维布技术加固构件可以解决以上问题。

   目前对碳纤维布施加预应力主要有：反拱预应力技术，直接张拉法，利用碳纤维布与混凝土梁之间的相互作用施加预应力等三种施工技术。

1 预应力碳纤维布工作原理

   由预应力混凝土结构的基本原理得到启发，本文提出了预应力碳纤维布加固混凝土结构的新施工工艺。在需要加固的构件上将碳纤维布张拉至设计值，用粘结胶将碳纤维布粘贴到混凝土梁的受拉面，待粘结胶固化后，碳纤维布与混凝土结构共同受力，在被加固构件内建立预应力。该预应力能够抵消二次受荷载引起的部分或全部拉应力，这样能使碳纤维较早参加工作，充分发挥碳纤维布高强度特点，其次，预应力产生的反拱能抵消构件的初始弯矩，还可抑制裂缝发展，提高构件的刚度及开裂强度和极限强度，改善正常使用阶段的工作性能。

2 张拉机具的设计

   碳纤维布张拉施工机具应具有以下性能：可有效地对碳纤维布材进行张拉；用于锚固碳纤维布的装置应具有很强的锚固能力；尽量减少预应力损失；张拉完成后应便于对受弯构件进行粘贴加固.

2．1 端部锚固

    对碳纤维布施加预应力，首先要解决碳纤维布在固定端和张拉端的锚固问题，如何使碳纤维布与张拉工具可靠连接是对碳纤维布实施张拉的关键。本文设计的固定端和张拉端锚固一块钢板和一个螺杆焊接而成的锚固板。该钢板的尺寸根据粘结胶的强度、碳纤维布的宽度和张拉预应力水平，通过计算为140mmxl20mmx20mm，为增大碳纤维布与钢板之间的抗剪能力，在钢板粘贴面刻有2 mmx2mm的刻痕，以防止锚固段过早剥离破坏而导致预应力无法施加。将预张拉碳纤维布的两端分别粘贴在锚固板上，待粘结胶凝固后平铺在反放的被加固梁上。为防止张拉碳纤维布时锚固板上翘，保证碳纤维布与构件表面紧密接触，在锚固板上设一压轴系统，它由1个35轴承和2个花篮组成，旋紧花篮的手扳葫芦压紧轴承，手扳葫芦不能拧得太紧，否则会在张拉碳纤维布时产生较大阻力；而太松则无法保证碳纤维布与构件紧密接触，应以使轴承能够在锚固板上滚动为宜。螺杆长度根据需要确定，以满足不同跨度构件的碳纤维布得到有效张拉和张拉碳纤维布时所产生的变形要求为度，本次试验的螺杆长度为120 mm。

2．2 张拉机具

   张拉机具是由2个400 mm x250 mm x20 mm的张拉钢板和4根拉紧钢筋组成的，每根拉紧钢筋的两端为螺丝端杆，拧动螺母可调整张拉钢板的位置。张拉钢板通过拉紧钢筋固定在梁的两端，利用构件本身作为张拉台座，一面张拉碳纤维布，构件一面被压缩。此方法不需要在试验构件预埋任何装置，也不需要在梁中安装膨胀螺栓等，保持了试验构件的整体性。将与锚固板连接的螺杆穿过张拉钢板的孔道，固定梁一端的锚固板，拧动另一端套在螺杆上的螺母，带动锚固钢板移动，从而张紧碳纤维布。张拉力的大小通过力传感器和测力读数仪控制。

3 粘贴预应力碳纤维布的施工工艺

   粘贴碳纤维布加固混凝土梁的施工流程为：制备CFRF材料一基面处理一涂刷底胶和找平胶一安装张拉机具一张拉碳纤维布一粘贴碳纤维布一养护。

3．1 制备碳纤维布材料

(1)在工作台表面覆盖一层塑料布，以避免锚固板及碳纤维材料与工作台粘结。

(2)将碳纤维布裁剪为试验需要的长度与宽度。

(3)将两个锚固板放在工作台两端，纵向轴心置于同一水平线上。

(4)将配置好的粘结胶均匀地涂刷在锚固板表面，再将碳纤维布放在锚固板上，用刷子在碳纤维布表面沿一个方向重复涂刷，并挤出胶中的气泡，使其均匀渗透到碳纤维中。待环氧树脂粘结胶充分浸润到纤维丝中后，在碳纤维表面均匀涂抹一层粘结胶作为保护面层，使碳纤维丝被环氧树脂完全包裹。

(5)在碳纤维上覆盖一层塑料薄膜，保护其不受灰尘与水分的影响，养护7d。

3．2 表面处理

   在需加固的混凝土表面用打磨机进行打磨，磨去1~2mm厚的浮浆层，除去表面疏松层及油污等杂质，露出密实的混凝土层。在需要粘贴U形箍的位置进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mln。打磨结束后，用刷子将表面粉尘清除干净并保持干燥。裂缝部位要注入环氧砂浆进行修补。表面处理的目的是除去妨碍胶结表面的酥松层和污染物。由于张拉后的碳纤维布非常平直，只有当加固构件的表面也非常平直时，才能保证两者之间的粘结质量，因此在打磨梁表面时应非常仔细，使表面具有较好的平整度嘲，以提高胶结力。

3．3 涂刷底胶和找平胶

     由于碳纤维布张拉后处于平直的绷紧状态，因此粘贴前构件粘结面应严格涂刷底胶与找平，如果构件粘结面上有凸凹，粘贴会出现脱胶现象，粘贴质量得不到可靠保证嘲。

     先用清洗剂将梁粘结表面清洗干净，然后将配置好的底胶用刷子均匀地涂刷在构件表面，使其完全渗透到混凝土中，以保证构件和碳纤维之间的粘结，改善基层混凝土的工作性能，这对加固效果的充分发挥非常重要。底胶指触干燥后，再在梁底涂刷一层找平胶来修补凹下的部分及坑洞，增加梁底的平整度。混凝土表面的蜂窝要充满底胶，以增加密实性和接触面积。

3．4 粘贴预应力碳纤维布

    (1)将锚固板安装至张拉板上，调整张拉钢板，使碳纤维布的纵向轴线通过锚具的中线，以保证碳纤维布截面内力分布均匀。待调整好平整度后，将一端固定在张拉板上，取下另一端的锚固板，放置在干净的塑料布上，以便于在梁上涂刷浸渍胶。将配置好的浸渍胶均匀涂刷在构件的粘贴面，应保证涂刷厚度均匀。

     (2)将锚固板安装在构件另一端的张拉板上，轴承压在锚固板上，同时拧动手扳葫芦，使轴承能够在锚固板上滚动。在锚固板的螺杆上安装连接测力读数仪的传感器，套上螺母，用扳手拧动螺母，张拉碳纤维布直至设计值，张拉力的大小通过测力读数仪来控制。张拉时测力读数会下降，用扳手拧动螺母，使张拉力保持在设计值，持续30 mm左右读数趋于稳定。

   (3)碳纤维张拉完毕后旋紧手扳葫芦，将锚固板紧压在混凝土梁表面，使锚固端的碳纤维与混凝土梁表面紧密结合。在碳纤维布表面再均匀涂刷一层浸渍胶，使碳纤维布完全被树脂浸润，并用刷子沿纤维方向挤压，除去碳纤维布下面的气泡。

(4)在浸渍胶凝固后(3～4d)，检查碳纤维布的粘贴质量，树脂未充满的空隙用注射器注入环氧树脂。在锚固区域粘贴附加锚固U形箍和压条，以防止剥离破坏。

(5)在构件上覆盖1层塑料薄膜，养护7d后松开张拉机具，裁除多余的碳纤维布，将张拉机具卸除。

4 加固效果试验

应用上述预应力施工机具及施工工艺，对6根混凝土梁进行了试验研究。梁的截面尺寸为

b x h=150mm x250mm，全长l=3200mm，净跨1o=3000mm。纵向受力钢筋为2 10，纵向钢筋配筋率为0．41 9％ ，全梁均匀配置的箍筋为~6@100，架立钢筋为2q)6。其中梁Ll为未加固的对比梁，L2为非预应力纤维布加固梁，L3、L4、L5、L6采用预应力碳纤维布加固。加固梁均采用1层100mm宽的碳纤维布加固，梁端均采用2道100mm宽的碳纤维布U形箍并加压条的附加锚固方式。

     从试验结果可以看出：当加固用碳纤维布量相同时，非预应力碳纤维加固梁较对比梁的开裂荷载和极限荷载分别提高了12．5％和16．7％ ；而预应力碳纤维布加固的受弯试件开裂荷载提高了75％～208．3％，极限荷载提高了34．4％- 70．2％ ，且提高幅度与预应力水平相对应。在使用荷载范围内的挠曲变形较非预应力试件有非常明显的减小，抗弯刚度得到了很大提高。

5 实用施工技术

5．1 预应力施加方法

   对上述试验用张拉机具进行改进后可用于实际工程。实际工程的梁、板、柱都是在一起的结构构件，利用框架梁端柱作为反力支座，拧动张拉端螺母带动锚固板移动来张拉碳纤维布。

5．2 施工机具

    张拉机具由2块张拉板、2块锚固板和2个力传感器等组成。张拉钢板的宽度6应大于框架柱厚度，高度以500mm为宜，其上开设2个矩形孔，锚固板上螺杆穿过矩形孔道，拧动螺母固定张拉板和锚固板，矩形孔的高度以300mm吼为宜，可使锚固板的螺杆在其中上下移动，带动碳纤维布紧贴梁底，以实现可靠粘贴。锚固板为带刻痕的钢板与2根螺杆焊接而成，两螺杆的间距与张拉板的孔距相同，螺杆长度应大于梁端柱高与张拉板厚度之和。张拉碳纤维布的关键工艺是使纤维丝受力尽可能均匀。该装置由螺杆连接，装拆方便，拧动螺母可方便地调整锚固板的方位，使碳纤维布受力均匀。碳纤维布与锚固板采用粘贴连接方法，连接可靠，比在构件底环绕布法 节省材料。

5．3 现场粘贴碳纤维布

   现场施工中的碳纤维材料制备、构件表面处理、涂刷底胶及找平胶与上述相同。施工时将张拉装置固定到位，张拉力达设计值的1／2时，开始在梁底和碳纤维布上均匀涂刷浸渍胶，再用顶升设备(如可调脚手架)将锚固板顶升至梁底，张拉碳纤维布到设计值，在碳纤维底面均匀涂刷一层浸渍胶，用平整的模板和木支撑把锚固板及碳纤维布顶压紧，并在碳纤维布和模板之间放上1层塑料薄膜，防止两者粘在一起，在塑料薄膜下铺1层泡沫板，消除梁底不平引起的粘贴不牢，当浸渍胶被挤压出时，顶压到位。7d后拆下张拉装置，粘贴U形箍和压条，施工完毕。

6 结论

   本次工程开发的锚固张拉机械具有锚固可靠、预应力损失小、操作方便，成本低等特点，能够有效地对碳纤维布进行张拉，使碳纤维布的高强性能得到充分利用，提高了加固梁的开裂荷载和极限荷载，加固效果比非预应力碳纤维布也有很大的提高，可以推广应用到实际工程中。