一种对混凝土梁的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构技术领域
本发明涉及现有建筑结构的维修加固技术领域，具体地说是一种复合加固层与原
混凝土梁能够协调工作且截面尺寸变化小、对结构净空和外观影响小、整体抗震性能好的
对混凝土梁的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构。
背景技术
由于材料老化、环境侵蚀等自然因素，施工出错、偷工减料等人为因素，功能要求
改变以及火灾、地震等灾害作用，大量房屋需要改造。若采取推倒重建的方式，耗资巨大为
我国目前经济情况所不容，较合理的方式是在正确评价的基础上，进行维修加固。因此，既
有建筑结构的维修、加固是目前各国都十分关注的问题。
目前广泛采用的建筑结构加固方法主要有：混凝土受拉区增补钢筋法；施加体外
预应力法；增加构件截面法；外包钢加固法；粘钢加固法；外贴FRP加固法。这些加固方法从
一定程度上可以提高结构的承载力，提高抗震性能，但各有不足:施加体外预应力法、外包
钢加固法由于锚固节点区受力复杂，构造处理比较困难，因而对施工要求比较高；受拉区增
补钢筋、粘钢加固法由于钢材外露易锈蚀所以无法应用于湿度较大的地区；增加构件截面
法虽然不存在节点处理复杂和钢材锈蚀的问题，但是截面高度增加会影响美观以及结构净
空；目前广泛应用的FRP加固法虽然施工方便，但是由于FRP本身延性较差，故易发生FRP端
部的剥离破坏，实际使用率仅为30%，并且加固后的结构变形性能下降，不利于地震作用下
的耗能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种复合加固层与原混凝土梁能
够协调工作且截面尺寸变化小、对结构净空和外观影响小、整体抗震性能好的对混凝土梁
的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种对混凝土梁的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构，包括原混凝土梁结构层，其
特征在于：所述原混凝土梁结构层的四周设有剪切销钉，剪切销钉上设置钢筋网且两者构
成增强体，在原混凝土梁结构层、剪切销钉、钢筋网三者的间隙及钢筋网外涂抹覆盖有纤维
增强高阻尼聚合物混凝土作为基体，在作为基体的纤维增强高阻尼聚合物混凝土外粘贴有
碳纤维布，纤维增强高阻尼聚合物混凝土、剪切销钉、钢筋网和碳纤维布构成复合加固层。
所述的纤维增强高阻尼聚合物混凝土包括内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土、中
间层纤维增强高阻尼聚合物混凝土和外层纤维增强高阻尼聚合物混凝土，涂抹内层纤维增
强高阻尼聚合物混凝土以保证钢筋网与原混凝土梁结构层的骨料面之间的空隙填实；涂抹
中间层纤维增强高阻尼聚合物混凝土以保证钢筋网被完全覆盖；涂抹外层纤维增强高阻尼
聚合物混凝土以保证纤维增强高阻尼聚合物混凝土基体的三层厚度到达设计厚度。
所述纤维增强高阻尼聚合物混凝土的设计厚度为25mm-50mm。
所述的内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土涂抹前需要在原混凝土梁结构层的骨
料面上涂抹环氧胶粘剂制成的界面剂。
所述纤维增强高阻尼聚合物混凝土的材料组分包括：水泥、水、粉煤灰、砂、聚合物
添加剂、纤维和高效减水剂、消泡剂、分散剂，其中按质量比为水泥：水：粉煤灰：砂=1：（0.45
～0.70）：（0.50～1.20）：（1.00～2.20）选择水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥和粉煤灰质量用量
的7～16%选取聚合物添加剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.8～1.8%选取高效减水剂，按水
泥和粉煤灰质量用量的0.5%～1.2%选取消泡剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.15～0.32%
选取分散剂，纤维为PVA纤维，按水、水泥、粉煤灰及砂的总体积的0.8%～2.5%选取PVA纤维；
将上述原料按比例配置后搅拌均匀即可得到纤维增强高阻尼聚合物混凝土。
所述的水泥采用海螺牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用I级粉煤灰；砂采
用细度模数为1.6～2.2的普通河沙；水采用密度为 1.0g/cm3、符合《混凝土用水标准》
（JGJ63-2006）要求的普通自来水；聚合物添加剂采用羧基丁苯乳液或丙烯酸共聚乳液；纤
维采用弹性模量42Gpa、长径比7%的PVA纤维；分散剂采用十二烷基苯磺酸钠；高效减水剂采
用减水率为20～35%的聚羧酸减水剂；消泡剂采用磷酸三丁酯、聚丙烯酸酯、硅烷铜聚醚中
的一种。
所述的原混凝土梁结构层是由原混凝土梁的表面装饰层剔掉使得原混凝土梁的
混凝土结构层外露，然后去除混凝土结构层表面的杂质，同时凿毛处理到达混凝土结构层
的骨料面而得到的。
所述的剪切销钉和钢筋网设置在原混凝土梁结构层之前，需要在原混凝土梁结构
层的骨料面上放线、钻孔、清孔，用植筋胶植入剪切销钉后再放线处绑扎钢筋网作为复合加
固层的骨架。
作为基体的纤维增强高阻尼聚合物混凝土的表面需要先涂刷粘结剂再粘贴碳纤
维布，其过程为：涂刷粘结剂后立即将预先裁剪好的碳纤维布均匀地敷设在底层粘结剂上；
用橡胶圆筒沿纤维方向滚压或刮平以排除气泡和多余的胶液，使粘结剂充分渗透碳纤维布
并与纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘结。
所述的粘结剂采用A、B双组分环氧类胶粘剂。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明充分利用了纤维增强高阻尼聚合物混凝土的轻质高耗能、高韧性、抗震性能优
越、耐久性好的特点，PVA纤维的桥接作用使得复合加固层在承受荷载发生破坏的过程中，
表现出“多缝开裂”以及“应变硬化”的特点，加固层中纤维增强高阻尼聚合物混凝土上产生
的每条微裂缝不超过100微米，因此使用纤维增强高阻尼聚合物混凝土加固可以提高混凝
土梁的承载力，减轻混凝土梁的开裂剥落。
本发明中的复合加固层将常规扩大截面法和粘贴碳纤维布加固法结合起来，高延
性的纤维增强高阻尼聚合物混凝土与碳纤维布由于变形性能接近，故在工作中能够协同变
形，缓解了普通混凝土与碳纤维布之间的粘结滑移问题，使得碳纤维布的高强特性能够得
到充分发挥。另一方面，在大位移和大荷载作用下，加固后的混凝土梁能够、产生较大变形
并保持较好的整体性，刚度退化也得到了推迟，因而解决了普通碳纤维布粘贴加固法对混
凝土梁变形能力的不利影响，大幅提高了抗震能力；同时本加固方法对于混凝土梁的截面
影响不大，因此减轻了普通扩大截面法对结构净空和外观的影响。
本发明的复合加固结构利用了纤维增强高阻尼聚合物混凝土良好的变形能力与
抗震耗能能力以及碳纤维布超高的强度，因此加固后的混凝土梁具有以下优点：（1）截面尺
寸变化小，对结构净空和外观影响小；（2）复合加固层与原混凝土梁能够协调工作，整体抗
震性能好；（3）碳纤维布性能得到充分发挥，实用经济；（4）构造简单，施工方便，质量容易得
到保证，易于推广。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
其中：1—原混凝土梁结构层；2—内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土；3—中间层
纤维增强高阻尼聚合物混凝土；4—外层纤维增强高阻尼聚合物混凝土；5—剪切销钉；6—
钢筋网；7—碳纤维布。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示：一种对混凝土梁的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构，包括原混凝
土梁结构层1，在原混凝土梁结构层1的四周设有剪切销钉5，剪切销钉5上设置钢筋网6且两
者构成增强体，在原混凝土梁结构层1、剪切销钉5、钢筋网6三者的间隙及钢筋网6外涂抹覆
盖有纤维增强高阻尼聚合物混凝土作为基体，在作为基体的纤维增强高阻尼聚合物混凝土
外粘贴有碳纤维布7，纤维增强高阻尼聚合物混凝土、剪切销钉5、钢筋网6和碳纤维布7构成
复合加固层。上述的纤维增强高阻尼聚合物混凝土包括内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土
2、中间层纤维增强高阻尼聚合物混凝土3和外层纤维增强高阻尼聚合物混凝土4，涂抹内层
纤维增强高阻尼聚合物混凝土2以保证钢筋网6与原混凝土梁结构层1的骨料面之间的空隙
填实；涂抹中间层纤维增强高阻尼聚合物混凝土3以保证钢筋网6被完全覆盖；涂抹外层纤
维增强高阻尼聚合物混凝土4以保证纤维增强高阻尼聚合物混凝土基体的三层厚度到达设
计厚度，纤维增强高阻尼聚合物混凝土的设计厚度为25mm-50mm。
上纤维增强高阻尼聚合物混凝土的材料组分包括：水泥、水、粉煤灰、砂、聚合物添
加剂、纤维和高效减水剂、消泡剂、分散剂，其中水泥采用海螺牌P.O42.5级普通硅酸盐水
泥；粉煤灰采用I级粉煤灰；砂采用细度模数为1.6～2.2的普通河沙；水采用密度为 1.0g/
cm3、符合《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）要求的普通自来水；聚合物添加剂采用羧基丁苯
乳液或丙烯酸共聚乳液；纤维采用弹性模量42Gpa、长径比7%的PVA纤维；分散剂采用十二烷
基苯磺酸钠；高效减水剂采用减水率为20～35%的聚羧酸减水剂；消泡剂采用磷酸三丁酯、
聚丙烯酸酯、硅烷铜聚醚中的一种。按质量比为水泥：水：粉煤灰：砂=1：（0.45～0.70）：
（0.50～1.20）：（1.00～2.20）选择水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥和粉煤灰质量用量的7～16%
选取聚合物添加剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.8～1.8%选取高效减水剂，按水泥和粉煤
灰质量用量的0.5%～1.2%选取消泡剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.15～0.32%选取分散
剂，纤维为PVA纤维，按水、水泥、粉煤灰及砂的总体积的0.8%～2.5%选取PVA纤维；将上述原
料按比例配置后搅拌均匀即可得到纤维增强高阻尼聚合物混凝土。
在该复合加固装置的加固过程中，内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土2涂抹前需
要在原混凝土梁结构层1的骨料面上涂抹环氧胶粘剂制成的界面剂；原混凝土梁结构层1是
由原混凝土梁的表面装饰层剔掉使得原混凝土梁的混凝土结构层外露，然后去除混凝土结
构层表面的杂质，同时凿毛处理到达混凝土结构层的骨料面而得到的；剪切销钉5和钢筋网
6设置在原混凝土梁结构层1之前，需要在原混凝土梁结构层1的骨料面上放线、钻孔、清孔，
用植筋胶植入剪切销钉5后再放线处绑扎钢筋网6作为复合加固层的骨架；作为基体的纤维
增强高阻尼聚合物混凝土的表面需要先涂刷粘结剂再粘贴碳纤维布7，粘结剂采用A、B双组
分环氧类胶粘剂，其过程为：涂刷粘结剂后立即将预先裁剪好的碳纤维布7均匀地敷设在底
层粘结剂上，用橡胶圆筒沿纤维方向滚压或刮平以排除气泡和多余的胶液，使粘结剂充分
渗透碳纤维布7并与纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘结。
下面通过具体工作流程来进一步说明本发明提供的技术方案。
一种对混凝土梁的混凝土外包碳纤维布的复合加固结构，具体工作流程和要求如
下：a、原混凝土梁结构层1的获取：用手锤敲击钢钎将将原混凝土梁的表面装饰层剔掉，使
原混凝土梁的混凝土结构层外露，然后去除混凝土结构层表面的杂质，同时凿毛处理到达
混凝土结构层的骨料面从而获得可使用的原混凝土梁结构层1；
b、绑扎增强体：在原混凝土梁的骨料面上放线、钻孔、清孔，用植筋胶植入剪切销钉5并
在放线处绑扎钢筋网6作为复合加固层的骨架；其中钻孔、清孔的具体要求为：钻孔采用德
国进口GBH5-38D型电钻，钻孔时须保证钻机、钻头与基材表面垂直以保证孔径与孔深尺寸
准确，在钻孔过程中如果钻机突然停止或钻头不前进时，说明钻头遇到钢筋，可适当错位以
避开混凝土梁内部钢筋；清孔先用刚刷清孔，然后用棉丝擦拭孔壁三次，最后用脱脂棉丝蘸
丙酮擦拭三次，直至钻孔中的碎渣和粉屑完全清理干净，且清孔后必须保证孔壁干燥，否则
必须用吹分机吹干孔壁，如清孔后6小时内若不进行植筋施工，应用干净的棉丝将孔口封
闭，以防止粉尘或沙粒进入；注胶、植筋的具体要求为：保证排出注胶器管口的胶液有适当
的浓度，然后将注胶嘴伸入孔底，注射一次后退一下以排出孔内空气，孔内注胶到达80%即
可以确保胶液不外流，注胶结束后应立即植筋；剪切销钉5插入孔内的部分要保持干燥，清
洁，无严重锈蚀，将剪切销钉5缓慢地旋转插至孔底，以免出现气泡，如剪切销钉插入后有气
泡产生，说明孔内胶体不实，应重新注胶；
c、涂抹纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料：在原混凝土梁的骨料面上涂抹界面剂后涂
抹纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料到达设计厚度，界面剂采用由环氧微乳液制成且外观
为乳白色胶液的环氧胶粘剂；纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料涂抹的详细步骤为：先在
凿毛处理后的原混凝土梁的骨料面上涂抹界面剂；然后分三层涂抹纤维增强高阻尼聚合物
混凝土材料：涂抹内层纤维增强高阻尼聚合物混凝土2时保证钢筋网6与骨料面之间的空隙
填实，初凝后涂抹中间层纤维增强高阻尼聚合物混凝土3；涂抹中间层纤维增强高阻尼聚合
物混凝土3时保证钢筋网6被完全覆盖，初凝后涂抹外层纤维增强高阻尼聚合物混凝土4；涂
抹外层纤维增强高阻尼聚合物混凝土4时保证纤维增强高阻尼聚合物混凝土的三层厚度到
达设计厚度25mm-50mm；
d、粘贴碳纤维布7：养护7-10天后在纤维增强高阻尼聚合物混凝土加固层的表面涂刷
粘结剂并粘贴碳纤维布7，即完成对原混凝土梁的加固，其中粘结剂采用A、B双组分环氧类
胶粘剂，粘贴碳纤维布7的要求为：涂刷底层粘结剂后立即将预先裁剪好的碳纤维布7均匀
地敷设在底层粘结剂上，用橡胶圆筒沿纤维方向滚压或刮平以排除气泡和多余的胶液，使
粘结剂充分渗透碳纤维,7并与纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料牢固粘结，滚压时注意不
能损坏碳纤维布7。
下面通过实验举例来说明本发明采用的纤维增强高阻尼聚合物混凝土材料具备
的高裂缝控制能力、能量吸收能力以及高韧性等多项性能。
水泥采用海螺牌P.O42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用I级粉煤灰；砂采用细度
模数为1.6～2.2的普通河沙；水采用密度为 1.0g/cm3、符合《混凝土用水标准》（JGJ63-
2006）要求的普通自来水；聚合物添加剂采用丙烯酸共聚乳液；纤维采用弹性模量42Gpa、长
径比7%的PVA纤维（聚乙烯醇纤维）；分散剂采用十二烷基苯磺酸钠；高效减水剂采用减水率
为35%的聚羧酸减水剂；消泡剂采用硅烷铜聚醚。
按质量比为水泥：水：粉煤灰：砂1：0.55：0.6：1.8选择水泥、水、粉煤灰、砂，按水泥
和粉煤灰质量用量的7%选取聚合物添加剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.8%选取高效减水
剂，按水泥和粉煤灰质量用量的1.05%选取消泡剂，按水泥和粉煤灰质量用量的0.30%选取
分散剂，按水、水泥、粉煤灰及砂的总体积的1.8%选取PVA纤维；将上述原料按比例配置后搅
拌均匀即可得到纤维增强高阻尼聚合物混凝土。
拉伸试验中：极限拉应变和极限应力分别为2.22%和3.3Mpa，分别是纯基体的20.2
倍和2.84倍。阻尼比试验：采用悬臂梁的自由衰减法，在悬臂梁的自由端方式下，敲击自由
端，利用自由衰减曲线测出复合水泥基的对数衰减率以及阻尼比；纤维增强高阻尼聚合物
混凝土较纯基体的阻尼比提高了31.02%，实际阻尼比具体数值为6.8%。纤维之所以可以提
高材料的阻尼性能是因为：当PVA纤维分散在基体中的时候，纤维与基体有一定的界面结
合，在强迫运动下会产生界面的滑移摩擦，是一个机械能转化为摩擦热能的过程。
本发明充分利用了纤维增强高阻尼聚合物混凝土的轻质高耗能、高韧性、抗震性
能优越、耐久性好的特点，PVA纤维的桥接作用使得复合加固层在承受荷载发生破坏的过程
中，表现出“多缝开裂”以及“应变硬化”的特点，加固层中纤维增强高阻尼聚合物混凝土上
产生的每条微裂缝不超过100微米，因此使用纤维增强高阻尼聚合物混凝土加固可以提高
混凝土梁的承载力，减轻混凝土梁的开裂剥落。
本发明中的复合加固层将常规扩大截面法和粘贴碳纤维布加固法结合起来，高延
性的纤维增强高阻尼聚合物混凝土与碳纤维布7由于变形性能接近，故在工作中能够协同
变形，缓解了普通混凝土与碳纤维布7之间的粘结滑移问题，使得碳纤维布7的高强特性能
够得到充分发挥。另一方面，在大位移和大荷载作用下，加固后的混凝土梁能够、产生较大
变形并保持较好的整体性，刚度退化也得到了推迟，因而解决了普通碳纤维布7粘贴加固法
对混凝土梁变形能力的不利影响，大幅提高了抗震能力；同时本加固结构对于混凝土梁的
截面影响不大，因此减轻了普通扩大截面法对结构净空和外观的影响。
本发明的复合加固结构利用了纤维增强高阻尼聚合物混凝土良好的变形能力与
抗震耗能能力以及碳纤维布超高的强度，因此加固后的混凝土梁具有以下优点：（1）截面尺
寸变化小，对结构净空和外观影响小；（2）复合加固层与原混凝土梁能够协调工作，整体抗
震性能好；（3）碳纤维布性能得到充分发挥，实用经济；（4）构造简单，施工方便，质量容易得
到保证，易于推广。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是
按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。