破壞形式對碳纖維加固工程施工質(zhì)量的評價

　　 

　　碳纖維片材是碳纖維布和碳纖維板的統(tǒng)稱，是目前混凝土結(jié)構(gòu)加固工程的常用材料之一，其強(qiáng)度是鋼材的近十倍，而重量卻僅為鋼材的20％左右，正是由于其高強(qiáng)度重量比和優(yōu)良的耐腐蝕性而受到世界各國學(xué)者和工程界人士的廣泛關(guān)注，特別是近年來，隨著碳纖維的技術(shù)革新，大幅度降低了材料的制造成本，工程用量增長迅猛，而其施工質(zhì)量也同時倍受關(guān)注。 

　　 

　　 

　　為了因應(yīng)業(yè)內(nèi)對碳纖維加固工程施工質(zhì)量判定的需要，湖南湖大土木建筑工程檢測中心率先開展了碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量現(xiàn)場檢測的研究，并于2002年8月第一次在湖南省內(nèi)對碳纖維加固施工質(zhì)量進(jìn)行了現(xiàn)場檢測。 

 

　　從2002年8月到2003年5月，我們依據(jù)當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)《粘貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固混凝土工程施工與驗收暫行規(guī)定(修訂本)》進(jìn)行現(xiàn)場檢測，此標(biāo)準(zhǔn)由建設(shè)部建筑物鑒定與加固規(guī)范管理委員會于2002年6月頒布，其對施工質(zhì)量合格的判定依據(jù)是：在正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗中，破壞形式正常，且粘結(jié)強(qiáng)度不小于atftk，其中ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，at為檢驗系數(shù)，取值范圍在1.0～1.2之間。 

 

　　2003年5月，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 146:2003，該標(biāo)準(zhǔn)的主編單位是國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心。根據(jù)該規(guī)范對施工質(zhì)量驗收的規(guī)定，碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量可先用小錘輕敲或手壓片材表面的方法定性檢查，而定量則需通過現(xiàn)場正拉試驗檢驗。在正拉試驗中，若組內(nèi)所有標(biāo)準(zhǔn)塊的破壞形式均為混凝土破壞，則為合格：若破壞形式為層間破壞或碳纖維片材破壞，但粘結(jié)強(qiáng)度平均值不小于2.5MPa，且單個最小值不小于2.25MPa，則也是合格，其它情況為不合格。 

 

　　2006年6月，建設(shè)部和國家質(zhì)監(jiān)總局聯(lián)合發(fā)布了《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2006)，并于2006年11月開始實施。該規(guī)范由四川省建筑科學(xué)研究院主編，其對正拉試驗合格的規(guī)定是破壞形式正常(即混凝土內(nèi)聚破壞)，且粘結(jié)強(qiáng)度不低于該規(guī)范相應(yīng)指標(biāo)的要求。但該規(guī)范并沒有明確現(xiàn)場正拉粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)的要求，目前普遍的認(rèn)識是不小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，且最低不小于1.5MPa，這種認(rèn)識尚需在后續(xù)配套規(guī)范中明確。 

 

　　從三個規(guī)范的演進(jìn)過程可以看出，碳纖維加固工程施工質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)是動態(tài)的，其中破壞形式必須是混凝土內(nèi)聚破壞已經(jīng)得到各方共識，但粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)卻有一個從嚴(yán)到松再到稍嚴(yán)的過程。為了全面了解筆者所接觸各碳纖維加固工程的實際情況，為實施《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2006)及其后續(xù)配套規(guī)范做好準(zhǔn)備，我們統(tǒng)計了本中心2002年以來34個碳纖維加固工程共121個標(biāo)準(zhǔn)塊的檢測結(jié)果，詳見表1，并進(jìn)行了初步分析。 

　　 

　　 

　　從檢測結(jié)果可以看出： 

　　 

　　1　混凝土內(nèi)聚破壞作為碳纖維加固工程質(zhì)量的主要評定標(biāo)準(zhǔn)，是碳纖維粘貼材料和施工的基本要求，在使用合格材料和正常施工條件下是很容易做到的。我們統(tǒng)計的結(jié)果涉及6種品牌的粘貼膠粘劑和8種品牌2種型號的碳纖維布，其中破壞形式為混凝土內(nèi)聚破壞的比例為89.3％。 

 

　　但在檢測中有13個標(biāo)準(zhǔn)塊(占總數(shù)的10.7％)出現(xiàn)了非正常破壞，根據(jù)調(diào)查，其主要原因在施工方，具體表現(xiàn)在： 

　　 

　　(1)冬季施工，膠粘劑粘度較高，施工人員在沒有將膠粘劑AB組分充分混合均勻的情況下粘貼碳纖維布； 

　　 

　　(2)個別施工人員貪圖較快的施工進(jìn)度，沒有對膠粘劑AB組分的配合量進(jìn)行準(zhǔn)確計量，而是通過經(jīng)驗進(jìn)行大致配比，導(dǎo)致配合比例出現(xiàn)嚴(yán)重偏差； 

　　 

　　(3)混凝土表面處理措施不當(dāng)。按照一般的施工程序，在粘貼碳纖維之前，應(yīng)將被補(bǔ)強(qiáng)的混凝土面層粉刷層和松動部分徹底消除后打磨，表面凸出部分用切割機(jī)或砂輪機(jī)修平；若混凝土存在裂縫，應(yīng)先灌注封縫后粘貼碳纖維；混凝土表面要求潔凈、干燥、無油污，若表面有滲水，應(yīng)先做疏水、止水和干燥處理，將表面用丙酮或酒精擦拭干凈后粘貼碳纖維。但有個別工程，施工人員沒有對基材混凝土表面進(jìn)行打磨或者打磨的深度不夠，從而導(dǎo)致出現(xiàn)非正常破壞。 　　 

　　 

　　在實際檢測過程中，對第(1)、(2)種情況，用手觸摸固化后的膠粘劑，往往有粘手仿佛沒有完全固化的感覺，對第(3)種情況，膠粘劑完全固化，但用正拉粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀將標(biāo)準(zhǔn)塊扯下后，卻發(fā)現(xiàn)膠結(jié)面只有很薄一層浮漿。 

　　 

　　2　正拉粘結(jié)強(qiáng)度實測值有一定程度的離散性；平均值隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高有增大的趨勢，但區(qū)分度并不高，且普遍在基材混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值附近。我們的統(tǒng)計涉及到從C15～C40六種混凝土強(qiáng)度等級共121個樣本的實測數(shù)據(jù)，除C15外，其它等級的混凝土其正拉強(qiáng)度平均值均略高于軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，具體分布見表2。 

 

　　對于這個統(tǒng)計結(jié)果，我們有以下幾點認(rèn)識供大家討論： 

　　 

　　(1)淺層混凝土缺陷的分布有很強(qiáng)的隨機(jī)性。 

 

　　一般認(rèn)為，在正拉試驗中出現(xiàn)混凝土內(nèi)聚破壞，是因為混凝土內(nèi)部不可避免地存在微觀上的初始缺陷(如裂紋、孔隙、夾層等)，內(nèi)聚破壞的實質(zhì)是在荷載作用下，這些初始缺陷產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展而形成破壞面。在試驗過程中，破壞面都發(fā)生在淺層混凝土，且形狀近似“碗”狀。作為破壞面開始點的缺陷，特別是淺層混凝土的缺陷的分布具有隨機(jī)性，所以實測的粘結(jié)強(qiáng)度的離差系數(shù)值在0.33～0.45之間，相對較高。 

　　 

　　(2)淺層混凝土實際強(qiáng)度和試驗方法較顯著地影響到實測強(qiáng)度值。 

 

　　在對外檢測以前，我們曾在實驗室里進(jìn)行了大量的模擬試驗，在粘結(jié)強(qiáng)度(混凝土內(nèi)聚破壞)與混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比較方面，與實際工程檢測結(jié)果相比要好很多。我們可以從淺層混凝土實際強(qiáng)度和試驗方法對實測結(jié)果的影響來解釋這個情況。第一，實驗室所用基材較小，振搗充分，而現(xiàn)場混凝土受施工條件(如模板、振搗)的影響，同樣配合比的混凝土其淺層實際強(qiáng)度往往較實驗室的要低：第二，混凝土構(gòu)件往往是使用了較長時間以后才需要加固，外界環(huán)境的長期影響能嚴(yán)重降低混凝土表面質(zhì)量；第三，現(xiàn)場試驗有時候受條件限制，在標(biāo)準(zhǔn)塊的實際尺寸、切縫深度、垂直度、儀器施力方向與基材表面的垂直度等方面與標(biāo)準(zhǔn)有一些偏差，這種偏差在標(biāo)準(zhǔn)塊直徑只有40mm的情況下往往會得到放大，而在實驗室里，可以有條件做到在一定程度上控制這些偏差。 

 

　　從表2看出，在所有標(biāo)準(zhǔn)塊的粘結(jié)強(qiáng)度檢測值中，大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比例為71.9％，這個比例是偏低的，因為如果按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2006)，將有28.1％的標(biāo)準(zhǔn)塊被判定為不合格。實際上，這只是單個標(biāo)準(zhǔn)塊的統(tǒng)計值，因此，將會有更高比例的碳纖維加固工程施工質(zhì)量被判定為不合格。 

　　 

　　(3)粘結(jié)強(qiáng)度問題亟待各方重視 

 

　　碳纖維與混凝土基材良好粘結(jié)是它們共同工作的基礎(chǔ)，但粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值并不意味著工程面臨較高的風(fēng)險，本文的目的是提請各方關(guān)注到這個問題：首先是因為粘結(jié)強(qiáng)度過低，有一定比例的工程其加固效果將打折扣；其次是在因為粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到要求而被判定為不合格時，應(yīng)合理地劃分責(zé)任，否則這會導(dǎo)致出現(xiàn)各方利益糾葛的死結(jié)，加固方按規(guī)程認(rèn)真施工，卻因為淺層混凝土缺陷達(dá)不到規(guī)范要求而不愿承擔(dān)責(zé)任，主體施工方通過回彈或鉆芯取樣檢測得到混凝土質(zhì)量合格的結(jié)論又將責(zé)任推卸給加固方。 

　　 

　　 

　　根據(jù)以上討論，對碳纖維加固工程的施工質(zhì)量進(jìn)行評價，我們提出以下幾點建議： 

　　 

　　(1)以破壞形式正常為主要評價指標(biāo)，粘結(jié)強(qiáng)度作為參考。 

　　 

　　(2)如粘結(jié)強(qiáng)度值小于基材軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)約請設(shè)計、檢測等相關(guān)各方分析原因，進(jìn)行安全評估，而不宜直接判定為施工質(zhì)量不合格，如實測值遠(yuǎn)小于要求，淺層混凝土質(zhì)量確實較差，應(yīng)改換其它的加固方法。實際上，在確定加固方案以前，即進(jìn)行混凝土回彈或抽芯取樣檢測時，應(yīng)增加既有混凝土質(zhì)量檢測項目，以免造成損失后再更改設(shè)計方案。 

　　 

　　(3)就淺層混凝土質(zhì)量(特別是抗拉強(qiáng)度)評價深入開展科研，通過大樣本分析得到更合理的統(tǒng)計規(guī)律。