上海毅实建筑加固工程有限公司
2.3碳纤维布的加固原理
粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结材料将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，以提高结构构件的承载(抗弯、抗剪)能力。用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度约为普通钢材的10倍。但碳纤维材料织成碳纤维布后，碳纤维丝很难完全共同工作，在承受荷载时，各碳纤维丝先后达到抗拉极限并逐渐断裂，直至整体破坏，而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高了碳纤维布的抗拉强度。因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键作用。
碳纤维加固碳纤维布材高弹性模量，拉伸强度高，优良的耐疲劳性，耐性高，耐腐蚀，薄，容易重叠，柔软的，适用于各种形状的部件。与碳纤维片材的结构结合使用的材料和支承胶牢固地键合在一起形成一个完整的结构作为一个整体，共用原有的结构载荷。目前，frp材料碳纤维占市场的比例很多。
碳纤维布加固的特点
碳纤维复合材料的纤维方向可分为两种类型的单向和双向，其中的应用程序，单向布为主。碳纤维具有高的强度重量比和刚度比（重量），耐疲劳性和高的耐久性，耐腐蚀，低的热膨胀系数。
碳纤维布加固修复混凝土结构的配套技术是碳纤维粘合剂树脂的使用将被粘贴于混凝土表面，起到结构补强和抗震加固的作用。适用于混凝土结构，钢结构，木结构表面，海滩用于建设隧道钢筋锈蚀的烟囱结构，甲板、码头、桥梁、结构强度不足的加固，梁、柱、楼板结构钢筋混凝土或砖墙加固，以增加强度，使用负载的增加，改变建筑物使用功能，结构，系统加固，抑制裂纹扩展，钢筋锈蚀，老化的材料补强加固，如抗震加固要求。
1. 碳纤维具有优良的物理和机械性能，拉伸强度高于普通钢材，弹性模量和钢接近，非常适合于钢筋混凝土维修，而且还具有良好的耐久性和耐腐蚀性。
2. 没有定期维护和混凝土的保护作用的内部结构，可以实现增强的补丁双重目的。
3. 无湿作业，没有大型施工设备，无需现场固定设施。碳纤维复合材料，可任意切割，施工简单，工期短。
4. 可以提高柱延性抗震能力2-4倍，提高梁，板弯曲能力30-100%，并加强梁，柱的剪切能力30%至80%，提高柱，墙承载力20-50%。只需要使用碳纤维胶便可把碳纤维复合材料粘贴到混凝土表面。因此，实用性超过其他加固技术而广泛应用。
工程案例
1. 工程概况 某工程为框架柱补强工程。该建筑为框架结构，经检测，该建筑物部分框架柱混凝土强度不满足设计要求，需要对混凝土强度不足的框架柱进行补强处理。
根据某建筑设计咨询有限责任公司提供《授权委托书 回复》的内容进行框架柱加固。
2. 设计依据 （1）《混凝土结构加固技术规范》（gb50326-2006）；（2）《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（cecs146-2003）；（3）关于该工程授权委托书回复（某建筑设计咨询有限责任公司） ；（4）检测报告（***号）；（5）原建筑物设计图纸。
3. 加固的方法和原则，补强方法：环向粘贴纤维布加固。 2，钢筋范围：3.300m的标高以下本地框架柱，3.300m―6.600m标高部分框架柱，6.600m―9.900m标高局部框架柱。3，加固原理：环向粘贴碳纤维箍加固框架柱，旨在改善柱轴向抗压强度，剪切强度和抵抗变形的能力。因此，补偿缺乏强度混凝土框架柱框架柱造成的性能下降，从而使框架柱满足要求。
4. 材料要求 （1）碳纤维布采用高强度i级300g碳纤维布；（2）碳纤维胶粘剂采用与碳纤维布匹配的a级胶；（3）水泥强度等级不低于42.5级。
5. 施工要求 （1）1在混凝土表面剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位，应除去大面积的劣质层，后剔除应用田修平胶进行修补；2对于裂缝网站，田修平胶密封处理；3应用的混凝土表面，如果填充凹陷区域田修平胶补丁；4用混凝土磨光机，砂轮（砂纸）和其他工具，除去混凝土表面的浮浆，油污等杂质，元件基面的混凝土以打磨光滑，特别是凸出部分的表面被抛光，角粘贴倒角打磨成圆弧状（半径为20mm）；5败类混凝土表面的清洁和干燥。（2）在准备通过混合这两种成分的底漆底漆比例将容易刷胶水均匀涂抹于混凝土表面，其厚度为0.4mm以上，并不得泄露或流动刷，气泡，等胶固化，再接下来的过程。（3）贴布 1根据碳纤维复合材料的设计要求切割成一定的尺寸；2制备，碳纤维粘合剂混合，然后用均匀地贴在现场，在一圈，角落的位置，适当应用一些。3用特别平滑辊或刮板在碳纤维复合材料的表面在同一方向反复轧制或刮胶渗出cfrp材料的外表面，以去除气泡，使碳纤维的塑料材料的充分浸润。重复上面的步骤，应该是多层粘贴，要适当的纤维表面触摸干燥后再进行下一层碳纤维布的粘贴。（4）碳纤维表面保护的碳纤维粘贴完成后，其表面应涂面和胶水粘，撒砂待表面凝固后刷素水泥浆做为保护层。
6. 工程验收 （1）工程验收必须有碳纤维塑料材料制造商及配套材料提供检验证书。（2）每道工序结束后，应根据工艺要求进行测试，做相关的检查记录，如出现质量问题，应立即返工。（3）结束后的施工现场检查，以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用锤子和其他工具碳纤维布表面轻轻拍打，以确定粘接回声效果，如空鼓膏现象不密实，注塑针应采取补救方式，如果面积小于90%，则键被判定为无效，需要重新建造。（4）如建设单位的特殊要求，然后将其粘贴优质碳素纤维现场检查。
7. 其他说明：（1）除注明外，设计图中所标注的尺寸均以毫米计，以标高为相对标高。（2）加固施工前应测量放样，若与图中不符，则以现场实测为准。（3）施工队伍要求，加固工程由具有结构补强特种工程专业承包资质的单位进行施工。（4）加固施工过程中，若发现原结构或相关工程隐蔽部位有未预计的损伤或严重缺陷时，应立即停止施工，并会同业主、监理、设计等有关单位采取有效措施进行处理后再继续施工。
3cfrp加固混凝土结构火灾研究有待进一步开展的工作尽管我们在cfrp加固构件火灾试验和耐火极限分析方面开展了一些研究，但对掌握和全面了解cfrp加固混凝土火灾反应特性并基于此确定其防火设计方法，仍有许多工作有待于完善和进一步的开展，主要体现在以下方面：
(1)cfrp材料的性能研究
目前关于cfrp材料热工性能和高温下力学性能的研究很少，且部分研究成果离散性较大，对高温下材料的性能仍然有待于进一步研究。同时应加强高温下cfrp材料与混凝土界面粘结性能和破坏机理的研究，确定高温下cfrp材料与混凝土间的界面模型，以便进行更为精确的非线性有限元分析。
(2)影响参数的深入分析
完善另一些影响基于加固构件耐火极限的参数分析，如混凝土强度、梁的截面形式、尺寸和跨度等对耐火极限的影响分析。在此基础上推导出加固构件耐火极限的简化计算公式，便于工程应用。
(3)cfrp加固混凝土结构体系在火灾下的性能研究
目前，对cfrp加固混凝土结构火灾下的性能研究主要集中在基本构件方面，而对由cfrp组成的梁或柱等形式的框架结构火灾下的性能研究国内外尚未见到报道。在火灾情况下，由于组成框架的梁柱间相互约束，将使框架产生内力重分布，从而可能危机结构的安全。因此，应开展这方面的研究，并提供合理的cfrp加固混凝土结构的耐火设计方法。
(4)cfrp加固混凝土结构在火灾后的性能研究和加固决策研究即便有防火保护，火灾发生后cfrp材料不会燃烧，但是cfrp同混凝土之间产生不可逆转的滑移。文献[1]试验证明，在试验后期cfrp材料同混凝土之间滑移很大，局部同混凝土完全失去粘结。因此火灾后cfrp加固混凝土构件的剩余承载力研究显得尤为重要，且在此基础上的加固决策研究也非常有意义。是否可以在灾后铲除原先加固的cfrp材料，重新粘贴cfrp材料，以达到修复补强的目的等，这些都是cfrp加固混凝土结构耐火研究重要课题。
很早进行cfrp加固构件的火灾试验是由瑞士deuring教授l5 于1994年完成的，在is0834标准升温条件下进行6根cfrp加固混凝土梁的对比试验，1根未加固，1根粘钢加固，1根采用普通胶粘贴的cfrp板加固梁(无防火保护)、2根采用普通胶粘贴的cfrp板加固梁(有防火板保护)、1根采用耐热粘贴剂粘贴的cfrp板加固梁。试验结果表明，粘钢加固梁受火后7～9min粘结失效；无防火保护的cfrp加固混凝土梁在81min后失效，而采用40mm厚防火板进行防火保护的cfrp加固混凝土梁，混凝土和碳纤维粘结处在很长时间内处于低温状态，cfrp材料大约在lh左右达到玻璃化温度。其耐火极限能够达到146min，是未经过防火保护的1．8倍。随后，ghent university的blontrock等人 进行了一系列加固梁的耐火试验。试件矩形梁采取了相应的防火保护措施，每根梁的保护厚度、位置(在底部或侧面)、防火板锚固方式(粘贴或机械锚固)、长度(通长或仅仅在锚固区)各不相同。试验研究表明，一根采用粘贴硅钙板保护梁在受火7min后，其粘结失效，而采用机械锚固的梁在受火45min后粘结失效。研究还表明，u型(梁底和两侧)防火保护为cfrp加固梁提供更好的耐火性能，降低了cfrp材料和钢筋火灾下的温度，从而降低了构件的整体挠度。blontrock等人 还进行了cfrp加固混凝土板的火灾试验，采取矿毛绝缘纤维(rockwoo1)和粘贴石膏板进行防火保护，试验后55min左右cfrp和混凝土的粘结丧失(此时胶粘剂温度为47～63℃)。
碳纤维加固钦北铁路修建于上个世纪90年代，北起广西钦州市，南至北海市，是西南地区货物进出口的便捷通道之一，由广西沿海铁路股份有限公司钦州工务段负责保养和维修。在日常养护工作中，我们发现该条线路经过常年运营使用，有89座涵洞的盖板出现了混凝土离析、开裂、风化露筋、钢筋锈蚀等严重病害，涵洞盖板的承载力下降。随着近年来钦北线列车轴重增大及速度的提高，该病害严重地影响到列车的行车安全，急需对发生病害的涵洞盖板进行加固处理。
1 病害产生原因
产生此类病害的原因是多方面的，主要有以下几点：
（1）在涵洞建设施工时，存在质量问题，盖板钢筋保护层厚度不够，混凝土震捣不密实，经常年使用，表层混凝土容易风化脱落，形成露筋；
（2）盖板防水层开裂失效，雨水不断渗入与盖板混凝土的主要成分硅钙发生水化反应，形成游离钙、硅和氢氧根，在毛细压作用下混凝土中的份被水带出淤积于混凝土表面，进一步与空气中的二氧化碳发生反应，在混凝土表面结晶形成白色硬块，很后形成碱蚀。在这个过程中，如果结构存在裂缝，就会引起钢筋的锈胀，出现钢筋锈蚀的情况；
（3）钦北线处于沿海地带，空气中和雨水中都含有一定的氯成分，水渗入到盖板混凝土的缝隙里，引起碱骨
料反应发生，加速了混凝土的离析。
2 施工方案的比较选择
对该病害的处理方法，我们提出了两种施工方案：
（1）在以往对钢筋混凝土结构的加固工程中经常采用的施工方法，凿除并清洗干净原有盖板混凝土表面的劣化层后，附着施工增加一定厚度的钢筋混凝土保护层或喷射钢纤维混凝土和外包钢板，从而达到加固的目的。但由于许多涵洞孔径较小，机械设备在窄小的空间内难以展开，如果采用该方法进行加固涵洞盖板工程，施工难度较大，施工人员、设备较多，预计工期需要10个月，并且新旧混凝土界面的粘结强度不高，真实的受力状况很难与设计预想相符。
（2）参考国内外使用碳纤维加固桥梁的成功经验，使用碳纤维加固技术对涵洞盖板进行加固。
1碳纤维加固技术的发展：碳纤维又称增强复合材料，用于混凝土结构的加固始于七八十年代的美国、日本。日本阪神大地震及台湾“9.11”地震后，碳纤维加固技术被广泛用于震后建筑重建和补强，这些都促进了碳纤维在加固补强工程中的应用。我国在这方面起步较晚，但发展势头迅猛，进展飞快，已经有了许多桥梁加固成功的实例。如南京机场路高架桥空心板补强修复、卢沟新桥的补强修复工程等等。
2碳纤维加固技术的工作原理、特点及优越性：碳纤维增强复合材料加固修补混凝土结构技术，是利用专门配制的粘结剂将碳纤维片粘贴在混凝土构件需补强加固部位表面，使混凝土与碳纤维片形成一体，共同工作的加固修补方式。碳纤维复合材料具有优越的力学性能，其抗拉强度是普通ⅱ级钢筋抗拉强度的10倍以上，弹模也与钢材相当；碳纤维材料不与碱等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐性及耐久性，适合于沿海地区空气湿度大、碱含量较高的特点；碳纤维的单位体积重量仅为钢材的l／4左右，制成板状后，其厚度仅为1.4mm左右，几乎不增加结构自重和改变截面外形。由于碳纤维布是一种柔性材料，而且可以任意裁剪，可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，且不改变结构形状及不影响结构外观，很适合于加固涵洞盖板这类施工面较小的工程；施工简便、工序简单，由于其自重较轻，可用小型电动工具操作，操作空间要求较宽松。不像传统补强方法需要众多工种、大量劳力及大型施工设备，可以在传统技术无法施工的有限作业空间内实施。
通过对两种施工方案各自特点的研究比较，我们段技术人员认为第二种方案更加适合本次涵洞盖板加固工程。
3 施工过程
本次涵洞盖板加固工程的施工日期安排在雨季后9～12月施工，以减少雨水对工程的影响。其施工工序为施工准备―混凝土表面处理―配置―涂刷底胶―配置找平胶并找平面层―粘贴碳纤维片材―保护。
3.1 施工准备
认真阅读设计图纸，根据实际情况拟定施工计划，备齐施工所需的各种材料及机具。
3.2 混凝土表面处理
清除涵洞盖板底面剥落、空鼓、蜂窝、等劣化混凝土，露出混凝土结构层，对于较大面积的劣质层在凿除后用环氧砂浆进行修复。用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质，将混凝土面层打磨平整，尤其把表面的凸起部位磨平，转角粘贴处进行倒角处理并打磨成圆弧状(r≥20mm)。用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。
3.3 配置、涂刷底胶
按主剂:固化剂=2:1的比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，电动搅拌器均匀搅拌，根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。
3.4 配置找平胶（fe胶）并找平面层
混凝土盖板表面凹陷部位用fe胶填平，模板接头等出现高度差的部位应用fe胶填补，转角处用fe胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10mm。
3.5 粘贴碳纤维片材
按尺寸裁剪碳纤维布，调配、搅拌粘贴碳纤维材料的加固专用胶（fr胶），搅拌至色泽均匀，然后用滚筒刷均匀涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位多涂刷一些，在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸，将碳纤维布拉紧展平并铺在涂有fr胶基面上，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使fr胶充分浸透碳纤维。碳纤维沿纤维方向的搭接长度不小于100mm，碳纤维端部固定用横向碳纤维固定。多层粘贴重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥进行下一层的粘贴。在很后一层碳纤维的表面均匀涂抹fr胶，其厚度为1～2 mm。
3.6 保护
在加固后的碳纤维表面喷防火涂料进行保护。
4 整治效果
本次涵洞盖板加固工程经过4个月的紧张施工于2004年底完成，由于施工工艺简单，施工周期短，较原施工方案节省了大量的人力、物力，工期也缩短了6个月，施工中对线路未造成影响，保证了列车的正常运行。经过这两年多的观测，已加固的涵洞盖板未产生风化、变形及开裂等病害，碳纤维布与混凝土盖板粘结良好。盖板底面光滑平整，涵洞整体外观技术状态极佳。通过试验证明，加固后的涵洞盖板各项力学性能得到显着的提高，承载力提升了25％～30％，取得了预期设计的效果。