碳纖維結(jié)構(gòu)加固

1、中鐵建工集團(tuán) 碳纖維片材結(jié)構(gòu)加固技術(shù)碳纖維片材結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡介：結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是對建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)筑物改造、加固、維護(hù)所采用的專用技術(shù)。由于科學(xué)研究的深入發(fā)展和大量工程實踐，已是成熟技術(shù)，廣泛地應(yīng)用到建筑工程中，并已編制了專業(yè)技術(shù)規(guī)范。目前結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)類型和加固方法有許多種,如粘鋼加固法、碳纖維片材加固法、噴射混凝土加固法、增截面加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、改變受力體系加固法等。本文介紹碳纖維片材加固法在工程中的應(yīng)用范圍及其應(yīng)用技術(shù)。碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)，是采用配套樹脂粘結(jié)劑將碳纖維片材（或板材）粘貼于構(gòu)件表面，使碳纖維片材承受拉應(yīng)力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，與原構(gòu)件共同受力，提高截面承載力。是

2、國內(nèi)近十年來開發(fā)研究的一種新型混凝土結(jié)構(gòu)加固方式。1適用范圍用于梁、板受彎加固，梁、柱、墻受剪加固，約束混凝土對柱抗震加固，也可用于裂縫修補(bǔ)及動荷載構(gòu)件加固、補(bǔ)強(qiáng)及修補(bǔ)。2主要優(yōu)點高強(qiáng)高效，適用面廣，質(zhì)量易保證；施工靈活、便捷，工效高，沒有濕作業(yè)，不需現(xiàn)場固定設(shè)施，施工占用場地少；耐腐蝕及耐久性能極佳；材料重量輕，加固修復(fù)后，基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸；在結(jié)構(gòu)加固方案中經(jīng)濟(jì)較適中。3主要技術(shù)性能目前常選用的碳纖維片材有國產(chǎn)和進(jìn)口的品牌，性能一般均能滿足使用及設(shè)計強(qiáng)度要求，碳纖維片材選用時一定注意要有國家級檢測中心出具的檢測報告。碳纖維片材技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿足表1要求。表1:碳纖維片材的主要

3、性能指標(biāo)材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcfk彈性模量Ecf延伸率密度耐腐蝕性浸透性均勻性碳纖維布3000MPa2.1*105Mpa1.5%1.8g/cm3優(yōu)良好良好碳纖維板2000MPa1.4*105Mpa1.5%碳纖維使用的粘接劑一般分為底膠、找平膠、粘接膠；目前市場上的膠種一般以選用該種碳纖維布的配套膠為主，對其他種類的膠種如與該碳纖維布未配套使用過，則應(yīng)先做粘接試驗，當(dāng)有充分?jǐn)?shù)據(jù)證明時方可使用。碳纖維粘接劑的技術(shù)指標(biāo)見表2.3-2、表2.3-3、表2.3-4。表2:底層樹脂的性能指標(biāo)性能項目性能指標(biāo)試驗方法正拉粘結(jié)強(qiáng)度(Mpa)2.5,且不小于加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk規(guī)范規(guī)定試驗方法表3:

4、找平材料的性能指標(biāo)性能項目性能指標(biāo)試驗方法正拉粘結(jié)強(qiáng)度(Mpa)2.5,且不小于加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk規(guī)范規(guī)定試驗方法表4:碳纖維片材粘貼用浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂的主要性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度(MPa)抗剪強(qiáng)度(MPa)正拉粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)適用溫度(。C)可使用時間（min）30102.5,且不小于加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk5-3520-1204工藝原理碳纖維片材是用抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維絲在高溫下“拉拔”成型，單向排列，并經(jīng)環(huán)氧樹脂膠預(yù)浸而成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材。以環(huán)氧樹脂作為膠結(jié)材料，將纖維片材沿受力方向或垂直于裂縫方向粘貼在受損結(jié)構(gòu)上，膠結(jié)材料作為它們之間的剪力連接媒介，形成新的復(fù)合

5、體，使增強(qiáng)貼片與原有鋼筋共同受力，增大了結(jié)構(gòu)抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，延性及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展；必要時也可交叉粘貼單向纖維片材。整個工藝的關(guān)鍵在于碳纖維片粘貼的緊密性與牢固性，以保證與原結(jié)構(gòu)形成整體，共同工作。5設(shè)計要點碳纖維加固技術(shù)設(shè)計和施工依據(jù)以碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS146：2003及粘帖碳纖維增強(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）為準(zhǔn)。5. 1 采用碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)前，應(yīng)按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測鑒定或評估。5. 2 采用粘貼碳纖維片材加固的混凝土結(jié)構(gòu)，長期使用的環(huán)境溫度不應(yīng)高于60。C。處于特殊環(huán)境下混凝土

6、結(jié)構(gòu)采用碳纖維片材加固時，尚應(yīng)遵守國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。5. 3 采用碳纖維片材對梁、板等受彎構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計時，加固后正截面受彎承載力的提高幅度不宜超過40%。5. 4 進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時宜卸除結(jié)構(gòu)上的活荷載，否則應(yīng)考慮二次受力的影響。5. 5 在受彎加固和受剪加固時，被加固構(gòu)件混凝土的實際強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15。采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土的強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C10。5. 6 碳纖維在各構(gòu)件中加固節(jié)點：a. 框架梁碳纖維布加固圖（見圖1）；b. 樓板碳纖維板底加固圖（見圖2）；c. 樓板裂縫碳纖維加固圖（見圖3）；d. 磚墻碳纖維加固圖（見圖4）。6工藝流

7、程及操作要點6. 1 工藝流程 6. 2 操作要點6.2.1 施工所需機(jī)械器具、工具（見表5）表5 施工所需機(jī)械器具、工具一覽表種類名稱切削工具角向砂輪、錘子、鑿子、鉆、鏨子畫線工具黑斗、卷尺、水平儀、鉛錘碳纖維裁切工具卷尺、鋼直尺、壁紙刀調(diào)和及涂刷樹脂用具臺秤、攪拌容器、橡膠抹子、滾洞刷子、油漆刷、攪拌器、抹灰板粘貼及脫泡用工具脫泡羅拉、毛羅拉、橡膠刮板、塑料刮板安全用具安全帽、安全帶、防護(hù)眼鏡、橡膠手套、口罩施工管理用器具R量尺、溫度計（測量材料溫度、大氣溫度、混凝土表面溫度）、濕度計其他空壓機(jī)、通風(fēng)設(shè)備、養(yǎng)護(hù)復(fù)合材料、綿紗6.2.2混凝土基底處理（1）將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除

8、干凈并達(dá)到結(jié)構(gòu)密實部位,必要時再用高強(qiáng)水泥砂漿將表面修補(bǔ)完整。（2）裂縫修補(bǔ)?？p寬小于0.20mm 的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂抹密閉；大于或等于0.20mm 的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫。（3）對貼片范圍的定位、劃墨線、按修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計要求進(jìn)行。（4）棱角的部位，用磨光機(jī)磨成圓角。圓角半徑宜30mm，最小不得小于20mm。6.2.3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)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌合均勻，一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時間內(nèi)用完為準(zhǔn)，超過可使用時間不得再用。（2）用滾筒刷均勻地涂抹底層涂料(含有溶劑的毛刷或用溶劑弄濕了的滾筒不得使用)。（3）指觸干燥時間因氣溫不同，一般在3h

9、 到1d 之間變化。（4）底層涂料固化后，在構(gòu)件表面有凝結(jié)凸起時，要用砂紙磨光。磨光后若露出混凝土基面，應(yīng)再補(bǔ)涂底層涂料。（5）根據(jù)施工部位的溫度，濕度選擇適當(dāng)?shù)牡讓油苛?。在氣?以下。相對濕度RH85、混凝土表面含水率在8以上，有結(jié)露可能而無有效措施時，不得施工。6.2.4構(gòu)件表面的殘缺修補(bǔ)。（1）構(gòu)件表面凹陷部位（蜂窩、麻面、小孔等）應(yīng)用環(huán)氧膩子填平，修復(fù)至表面平整。（2）內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩子填補(bǔ)，使之平順。在殘缺修補(bǔ)中使用環(huán)氧膩子時，要在氣溫5以上，相對濕度RH85的條件下施工。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應(yīng)再用砂紙打磨平整。6.2.5粘貼碳纖維片（1）確認(rèn)粘貼表面干燥

10、，氣溫在5以下，相對濕度RH85時，如無有效措施時不得施工。（2）防止碳纖維片受損。碳纖維片在運輸，儲存。裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受到彎折。因此，貼片前應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸裁切碳纖維片，每段長度一般以不超過6m 為宜。要使用更長的片材時，除精心防止彎折外，對脫泡（即趕出氣泡）、滲浸過程必須加借謹(jǐn)慎操作。為防止片材在保管過程中損壞，片材的裁切數(shù)量應(yīng)以當(dāng)大的用量為準(zhǔn)。（3）纖維片縱向接頭必須搭接10cm 以上。該部位應(yīng)多涂粘結(jié)樹脂。纖維片橫向不需要搭接。（4）粘結(jié)樹脂的主劑和固化劑應(yīng)按規(guī)定的比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調(diào)和量應(yīng)以在可使用時間內(nèi)用完為準(zhǔn)。（5）貼片前用滾筒刷均

11、勻地涂抹粘結(jié)樹脂，稱為下涂。下涂的涂量標(biāo)準(zhǔn)如下：200g/m2的碳纖維片，400500g/m2；300g/m2 的碳纖維片，500600g/m2：涂量是根據(jù)施工部位及施工面的粗糙程度而變化的。拱起部分。拐角部分。纖維片搭接部位以及殘缺修補(bǔ)處要多涂一些。（6）貼片時，在碳纖維片和樹脂之間不應(yīng)留有空氣。為此，可用羅拉（專用工具）沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使粘結(jié)樹脂充分滲浸人碳纖維束中。（7）纖維片施工30min（根據(jù)干燥程度）后，用滾筒刷均勻涂抹粘結(jié)樹脂，稱為上涂。上涂涂量標(biāo)準(zhǔn)如下：200g/m2 的纖維片，200100g/ m2；300g/ m2 的纖維片，300200g/ m2。上涂時

12、和（6）一樣，用脫泡羅拉沿纖維方向用力滾壓23 次，使纖維內(nèi)部補(bǔ)充、滲浸粘結(jié)樹脂。（8）進(jìn)行空鼓檢查，并進(jìn)行處理。（9）如碳纖維片施工不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則需進(jìn)行相應(yīng)處理，其中空鼓處理方法如下：注入粘結(jié)樹脂法。在碳纖維片上打開2 個以上的孔，使用注射器注入粘結(jié)樹脂（或低粘度型樹脂）。割刀切人填充樹脂修補(bǔ)法。沿纖維方向切入23 刀，用橡膠刮板。毛刷沾上適量粘結(jié)樹脂，填進(jìn)割開的縫內(nèi)。補(bǔ)丁補(bǔ)修法。當(dāng)貼片完全固化后，無法用割刀切開或注入樹脂，或纖維片表面出現(xiàn)沼皺或松弛時，應(yīng)采用此方法割去不良部分。重新粘貼碳纖維片。6.2.6養(yǎng)護(hù)固化（1）粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h 達(dá)到初期固化，并應(yīng)保證固化期間不受

13、干擾。（2） 碳纖維片粘貼后達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度所需自然養(yǎng)護(hù)的時間：平均氣溫在10以下時，需要2 周；平均氣溫在10以上20以下時，需要12 周；平均氣溫高于20時，需要1 周。在此期間應(yīng)防止貼片部分受到硬性沖擊。6.2.7涂裝（1）若加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件需要防火時，可在樹脂固化后按業(yè)主要求涂刷耐火涂層。（2）對加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件有外觀要求時，可在補(bǔ)強(qiáng)后涂刷所需色彩和質(zhì)量的涂層。（3）涂裝應(yīng)在樹脂初期固化后進(jìn)行，并應(yīng)遵守所用涂料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)定。7.工程實例蘇州新區(qū)秀水苑2#、4#別墅的整體修復(fù)工程中，成功應(yīng)用了碳纖維修復(fù)裂縫、補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會郊益。秀水苑2#、4#別墅為二層磚混結(jié)構(gòu)，由中鐵建工集團(tuán)蘇州建設(shè)公司開發(fā)建設(shè)，北京中鐵工建筑工程設(shè)計院設(shè)計。于2004年5月竣工交付時發(fā)現(xiàn)9棟別墅的二層樓面、屋面現(xiàn)澆板局部出現(xiàn)裂縫，較為嚴(yán)重的為貫通裂縫。于2004年8月進(jìn)行修復(fù)，對樓面裂縫封閉灌漿處理后，加固碳纖維布材為索奇牌CF-HS-200R（0