碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝

1、碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝 1. 前言 碳纖維復(fù)合材料具有抗拉強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維片加固補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，進(jìn)入20世紀(jì)90年代中后期我國(guó)的許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也相繼進(jìn)行了這方面的試驗(yàn)研究。 目前，在我國(guó)的北京、上海、天津、江蘇、福建等許多地區(qū)的橋梁和工民建工程中得到了廣泛的應(yīng)用。其中有些是由于意外事故而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力而需補(bǔ)強(qiáng)加固的；有些是由于混凝土強(qiáng)度或配筋不足而需補(bǔ)強(qiáng)加固的；有些是由于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到或接近使用年限而需加固的；還有部分建筑是未進(jìn)行抗震設(shè)防的，滿足不了建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)GB50023-95要求，需

2、進(jìn)行抗震加固。中國(guó)革命歷史博物館（以下簡(jiǎn)稱“革歷博”）就是屬于后兩種情況，進(jìn)行綜合比較后選擇了碳纖維粘貼抗震加固的方式。下面結(jié)合“革歷博”具體工程實(shí)例談一談碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝。 2. 碳纖維片加固簡(jiǎn)介 （1）特點(diǎn) 高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量。 施工方便，無(wú)需任何夾具、模板，能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)而不改變構(gòu)件外形尺寸，可多層粘貼，并能有效地封閉混凝土的裂縫； 耐腐蝕及耐久性能好。 不增加結(jié)構(gòu)自重。 （2）適用范圍。適用于各種形式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的加固補(bǔ)強(qiáng)。 （3）加固機(jī)理。利用專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂將抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維片粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，并與之形成整體，共同工作。 3. 施工工藝 在

3、碳纖維加固施工前，應(yīng)盡可能地卸去部分荷載，使碳纖維粘貼施工時(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的荷載作用減小到最小程度。其加固施工工序?yàn)椋夯炷粱滋幚硗康讓油苛嫌铆h(huán)氧膩?zhàn)舆M(jìn)行殘缺修補(bǔ)貼碳纖維片養(yǎng)護(hù)涂裝完工驗(yàn)收。 3.1 混凝土基底處理 （1）裂縫處理。寬度小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面涂抹封閉；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌縫?！案餁v博”抗震加固的大梁大部分都有寬度不一的裂縫，最大裂縫達(dá)到 1mm以上，為此我們對(duì)所加固的主梁首先進(jìn)行了壓力灌膠處理。 （2）將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位，使其表面平整。 （3）檢查外露鋼筋是否銹蝕。如有銹蝕，需進(jìn)行必要處理。 （4）對(duì)經(jīng)剔鑿

4、、清除和露筋的構(gòu)件殘缺部分，用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原，達(dá)到表面平整。 （5）將構(gòu)件表面凸出部分（混凝土構(gòu)件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差要盡量平順；棱角的部位，用磨光機(jī)磨成圓角，圓角半徑須30mm。 （6）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面打磨后，用吹風(fēng)機(jī)將表面灰塵和雜物清理掉，或用水及酒精清洗，并使表面充分干燥。“革歷博”工程施工中我們使用吹風(fēng)機(jī)將灰塵清理后又用酒精進(jìn)行清洗。 3.2 涂底層涂料 （1）把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放入容器內(nèi)，用攪拌器攪拌均勻；一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完。 （2）用滾筒刷均勻地將底層涂料涂刷于混凝土表面，指觸干燥后（一般養(yǎng)護(hù)324小時(shí)）才能進(jìn)行

5、下一道工序的施工。 （3） 底層涂料指觸干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般類(lèi)似結(jié)露的露珠一樣）要用砂布或角磨機(jī)磨平。 3.3 用環(huán)氧膩?zhàn)舆M(jìn)行殘缺修補(bǔ) （1）構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇?，并修?fù)至表面平整、順滑。 （2）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩?zhàn)犹钛a(bǔ)，使之平順。膩?zhàn)油抗魏螅砻嫒源嬖诘陌纪共诩y，應(yīng)再用砂紙打磨平整。 3.4 粘貼碳纖維片 （1）樹(shù)脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比列稱量準(zhǔn)確，裝入容器用攪拌器均勻攪拌。一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完。 （2）纖維順長(zhǎng)方向片材的接頭必須搭接10cm以上。該部位應(yīng)多涂樹(shù)脂，脫泡、樹(shù)脂操作按正常進(jìn)行。在片材寬度方向不需要搭接。 （3）貼片前用滾筒刷

6、均勻地涂抹粘貼用環(huán)氧樹(shù)脂，稱為下涂。貼片時(shí)，在纖維片和樹(shù)脂之間盡量不要有空氣?？捎昧_拉（專(zhuān)用工具）沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹(shù)脂滲浸進(jìn)纖維中。 （4）纖維片施工30分鐘后，用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環(huán)氧樹(shù)脂，稱為上涂。如需多層粘貼則重復(fù)3.4.13.4.4步驟，并保證底層粘貼的碳纖維片上涂已指觸干燥，才能粘貼下一層。 （5）最后一層碳纖維的上涂應(yīng)涂刷均勻、周邊整齊。 3.5 養(yǎng)護(hù) （1） 碳纖維片施工后，應(yīng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證養(yǎng)護(hù)期間的溫度不低于環(huán)氧樹(shù)脂的允許使用溫度。 （2）養(yǎng)護(hù)期一般在12周內(nèi)。 （3）對(duì)于有風(fēng)吹、雨淋或有可能人為擾動(dòng)的地方應(yīng)進(jìn)行遮擋封閉養(yǎng)護(hù)。 3.6 表面涂裝 對(duì)于有外觀

7、裝飾要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，可在粘貼后的碳纖維表面涂刷基于環(huán)氧基底的涂料或噴沙抹灰后涂刷常規(guī)涂料。 4. 施工主意事項(xiàng) （1）氣溫在5以下、相對(duì)濕度RH85 %、混凝土表面含水率在8%以上、有結(jié)露的可能時(shí)，無(wú)有效措施不得施工。 （2）由于碳纖維片為電的良導(dǎo)體，應(yīng)使其遠(yuǎn)離電源。 （3） 施工用各種樹(shù)脂遠(yuǎn)離明火，并避免陽(yáng)光直射。 （4）施工及檢查人員應(yīng)穿防護(hù)工作服，配戴口罩、手套、防護(hù)眼鏡等防護(hù)用品。 （5）施工現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)狀況良好。 （6）當(dāng)樹(shù)脂粘附在皮膚上時(shí)，應(yīng)立即用肥皂水沖洗，濺入眼內(nèi)用清水清洗或及時(shí)就醫(yī)。 5. 材料 此次“革歷博”加固工程，北京特希達(dá)公司所采用的是日本三菱化學(xué)公司的碳纖維片及其專(zhuān)用

8、樹(shù)脂，其主要材料種類(lèi)和性能見(jiàn)表14。 表1：碳纖維片的種類(lèi)和性能 材料名稱纖維種類(lèi)纖維重量 g/m2設(shè)計(jì)厚度 mm抗拉強(qiáng)度 N/ mm2彈性模量 N/mm2TXD-C-20高強(qiáng)度碳2000.11134002.3105TXD-C-30高強(qiáng)度碳3000.16734002.3105TCD-M5-30高彈性模量碳3000.16529003.9105 表2：底層涂料的種類(lèi)和性能 內(nèi) 容材 料 名 稱TP (EPOTHERM PRIMER )TP350WTP350S適 用 溫 度 （）5151535可使用時(shí)間（分）2014545205指觸干燥時(shí)間（小時(shí)）3.99.02.510.5性狀淡黃色透明膠狀物性能指

9、標(biāo)與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度 （MPa）抗壓強(qiáng)度 （MPa）抗拉強(qiáng)度 （MPa）2主要用途涂刷混凝土表面用（可滲入混凝土表面內(nèi)） 表3：修補(bǔ)用環(huán)氧膩?zhàn)臃N類(lèi)和性能 內(nèi) 容材 料 名 稱 TE (EPOTHERM PUTTY)TE350WTE350S適 用 溫 度 （）5151535可使用時(shí)間（分）3016050210指觸干燥時(shí)間（小時(shí)）3.510.03.010.0性狀乳脂狀性能指標(biāo)與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度 （MPa）抗壓強(qiáng)度 （MPa）抗拉強(qiáng)度 （MPa）250主要用途修補(bǔ)混凝土表面缺陷及找平用表4：粘貼用環(huán)氧樹(shù)脂種類(lèi)和性能 內(nèi) 容材 料 名 稱 TR (EPOTHERM RESIN)TR350WTR350S適

10、用 溫 度 （）5151535可使用時(shí)間（分）3317070180指觸干燥時(shí)間（小時(shí)）4.012.06.018.0性狀乳脂狀性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度 （MPa）抗彎強(qiáng)度 （MPa）抗剪強(qiáng)度 （MPa）304010主要用途粘貼碳纖維片 6. 勞動(dòng)力及機(jī)工具安排 每一施工班組以34人為宜，每人每工日完成工程量在10m2左右。每一班組準(zhǔn)備的主要機(jī)、工具為角磨機(jī)4臺(tái)，吹風(fēng)機(jī)1臺(tái)，臺(tái)稱1臺(tái)，滾筒刷6把，羅拉2把，灌膠工具一套。 7. 質(zhì)量驗(yàn)收 目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)國(guó)家認(rèn)可的強(qiáng)制性驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，碳纖維加固工程檢查驗(yàn)收均以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，北京特希達(dá)科技有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多種類(lèi)工程檢驗(yàn)，目前比較全面、成熟。 （1

11、）原材料必須有生產(chǎn)廠家的出廠檢驗(yàn)合格證，進(jìn)口材料要有商檢證。工程量比較大時(shí)應(yīng)進(jìn)行原材料試驗(yàn)。 （2）每一工序按工藝要求進(jìn)行，屬于隱蔽工程的要有隱檢紀(jì)錄。 （3）用小錘輕擊，檢查空鼓，無(wú)空鼓或只有少量小空鼓（3cm）便視為合格；對(duì)于較大的空鼓（3cm）或較多的小空鼓應(yīng)進(jìn)行灌膠（注入TR樹(shù)脂）處理。 （4）保證氣溫在535之間，相對(duì)濕度不大于85 %的環(huán)境下施工。 8. 工程實(shí)例簡(jiǎn)介 2000年12月至2001年1月間，對(duì)中國(guó)革命歷史博物館甲區(qū)、甲區(qū)的部分主梁進(jìn)行了碳纖維片粘貼加固，共使用碳纖維片面積近400m2。具體加固施工方案是先對(duì)需加固的主梁進(jìn)行封閉灌膠處理，然后進(jìn)行碳纖維粘貼加固，其加固方

12、案如圖1所示。 由于施工時(shí)在距摟面7m左右高的吊頂內(nèi)進(jìn)行，障礙物較多，施工操作較困難，此建筑是在建國(guó)初期施工建成的，當(dāng)時(shí)施工技術(shù)較落后，因此混凝土表面平整度較差，進(jìn)行基底打磨時(shí)難度較大，尤其在對(duì)“U”形環(huán)包的底部轉(zhuǎn)角處進(jìn)行倒角處理時(shí)，更花費(fèi)了許多精力。 本工程施工完成后，無(wú)論是施工質(zhì)量，還是確保工期和后期服務(wù)工作，均受到業(yè)主、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位的好評(píng)，經(jīng)驗(yàn)收確認(rèn)效果良好，達(dá)到預(yù)期加固目的。 用碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的加固方法相比，具有巨大的優(yōu)越性，有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。 8.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 碳纖維片的重量輕、強(qiáng)度高，隨形性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)

13、結(jié)構(gòu)重量的影響甚微；碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝施工簡(jiǎn)便迅速，無(wú)需任何夾具、模板和支撐，雖然碳纖維本身的價(jià)格高于其他材料，但施工費(fèi)用大大降低。它免除了鋼板補(bǔ)強(qiáng)、混凝土補(bǔ)強(qiáng)等傳統(tǒng)方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養(yǎng)護(hù)、拆模等繁雜的工序和輔助設(shè)施，而且占用空間小，即使在高空作業(yè)，也只需設(shè)置簡(jiǎn)易工作平臺(tái)即可。因此，用碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)將低于傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)方法，經(jīng)濟(jì)效益視具體工程情況而定，越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)其效益將愈明顯。另外，碳纖維片補(bǔ)強(qiáng)有非常良好的抗腐蝕性能和耐久性，不需作任何防腐處理，而粘鋼加固則需做定期防銹、防腐處理。因此，碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 8.2 社會(huì)效益 由于碳纖維片