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碳纖維加固施工方法和應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2014-08-05
國(guó)內(nèi)最早通過(guò)的規(guī)范是2003年《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，其編號(hào)為CECS146：2003, 已經(jīng)被最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》代替,其編號(hào)為GB 50367-2006. 碳纖維加固最近的國(guó)標(biāo)是《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》GB/T 20490-2008,08年10月1日期執(zhí)行。 一、前言 碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)的這項(xiàng)技術(shù)起步很晚，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當(dāng)一部分由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)低造成歷史遺留問(wèn)題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當(dāng)前規(guī)范使用的需求，亟需進(jìn)行維修、加固。目前常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、碳纖維加固法等。碳纖維加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。 二、特點(diǎn) 碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補(bǔ)強(qiáng)相比，具有節(jié)省空間，施工簡(jiǎn)便，不需要現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工質(zhì)量易保證，基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點(diǎn)。另外，采用該工法，可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時(shí)代的補(bǔ)強(qiáng)材料，而備受青睞和關(guān)注。 (1)抗拉強(qiáng)度高，是同等截面鋼材的7-10倍。 (2)重量輕，密度只有普通鋼材的1/4。 (3)耐久性好，可阻抗化學(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境、氣候變化的破壞。 (4)施工方便快捷、省力節(jié)時(shí)、施工質(zhì)量易于保證。 (5)適用范圍廣，混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)均可進(jìn)行加固。可大幅度提高構(gòu)件的承載能力、抗震性能和耐久性能。 用途 ·混凝土結(jié)構(gòu)物、橋梁及建筑物的梁、柱、面板加固。 ·隧道、港灣設(shè)施、煙囪、倉(cāng)庫(kù)、廠房的加固。 ·受鹽害的混凝土、橋梁以及河川構(gòu)造物的防護(hù)和加固。 三、碳纖維加固適用范圍 碳纖維加固法可用于混凝土結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪加固，同時(shí)廣泛用于各類工業(yè)與民用建筑物、構(gòu)造物的防震、防裂、防腐的補(bǔ)強(qiáng)。 四、工藝原理 將抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維用環(huán)氧樹脂預(yù)浸成為復(fù)合增強(qiáng)材料（單向連續(xù)纖維）；用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上，形成一個(gè)新的復(fù)合體，使增強(qiáng)粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結(jié)構(gòu)的抗裂或抗剪能力，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性和延伸性。 五、工藝流程及操作要點(diǎn) 工藝流程可以歸納為： 施工準(zhǔn)備 砼表面處理 涂刷底膠 構(gòu)件表面殘缺面修補(bǔ) 粘貼碳纖維 表面養(yǎng)護(hù) 找平材料配置 底層或樹脂配制 浸漬樹脂配制 1． 混凝土表面處理 1 將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈。 2 對(duì)經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原。 3 裂縫修補(bǔ)：縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫。 4 打磨：將構(gòu)件表面凸出部分（混凝土構(gòu)件交接部位、模板的接槎等）打磨平整，修復(fù)后的構(gòu)件表面盡量平順。 5 清洗打磨過(guò)的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。 2． 缺陷部位涂刷底膠 將配好的底膠（粘結(jié)劑），用涂刷均勻于缺陷部位的砼表面。 3． 構(gòu)件表面殘缺面的修補(bǔ) 用環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)構(gòu)件表面殘缺面的修補(bǔ)是十分重要的一步，要點(diǎn)如下： 1 膩?zhàn)又鲃⒐袒哌M(jìn)劑、固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。 2 構(gòu)件表面凹陷部位用環(huán)氧膩?zhàn)犹钇剑迯?fù)至表面平整。在殘缺修補(bǔ)中使用環(huán)氧膩?zhàn)訒r(shí)，要在氣溫-5℃以上，相對(duì)濕度小于85%的條件下施工。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。 4． 涂刷底膠 將配好的底膠（粘結(jié)劑），用滾筒均勻涂刷于需要粘結(jié)的砼表面。 5． 粘貼碳纖維 粘貼碳纖維材料之前，首先應(yīng)確認(rèn)粘貼表面干燥。氣溫在-10℃以上，相對(duì)濕度RH＞85%時(shí)，如無(wú)有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過(guò)程中。應(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷碳纖維材料，每段長(zhǎng)度一般以不超過(guò)6m為宜。為防止材料在保管過(guò)程中損壞，材料的裁切數(shù)量應(yīng)按當(dāng)天的用量裁切為準(zhǔn)。碳纖維縱向接頭必須搭接20cm以上。該部位應(yīng)多涂樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點(diǎn)如下： 1 粘貼樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應(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(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)。 2 粘貼時(shí)，在碳纖維和樹脂之間盡量不要有空氣。可用羅拉（專用工具）沿著纖維方向在碳纖維材料上滾壓多次，使樹脂滲浸入碳纖維中。 6． 養(yǎng)護(hù) 粘貼碳纖維材料后，需自然養(yǎng)護(hù)1-2小時(shí)達(dá)到初期固化，應(yīng)保證固化期間不受外界干擾和碰撞。 7． 涂裝 若加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件需要防火時(shí)， 可在樹脂固化后涂刷耐火涂層。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。 六、材料 符合國(guó)標(biāo)GB50367-2006規(guī)定的碳纖維加固材料有: 1),碳纖維單向織物布復(fù)合材,200克,300克,以及碳纖維條形板 2),S玻璃布,300克--450克 3),E玻璃纖維單向織物(布)300克--450克 4),改性環(huán)氧樹脂,用于粘接纖維布 5）碳纖維板，分1.2mm和1.4mm厚兩種。 碳素纖維加固材料是高強(qiáng)度碳纖維單向排列,用微量的樹脂浸滲后作為混凝土的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)材料，其抗拉強(qiáng)度大約是鋼筋的10倍，并且具有重量輕、高彈性、高強(qiáng)度、高耐久性等特性。目前常用的碳纖維加固材料有國(guó)產(chǎn)的上海同砼,北京703,海寧碳布,進(jìn)口的有日本東麗,臺(tái)灣重億,美國(guó)赫氏Hexcel,新日本石油.....等 七、機(jī)具設(shè)備 主要機(jī)具有砂輪切割機(jī)、角磨機(jī)、滾刷等，一般在2～4臺(tái)即可滿足工程要求。 八、勞動(dòng)組織 每100M2面積碳纖維加固安排4名技術(shù)工人、6名普工。 九、質(zhì)量要求 1．所有進(jìn)場(chǎng)材料，包括碳纖維材料和膠結(jié)材料，必須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并具有出廠產(chǎn)品合格證，符合工程加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要求。 2．碳纖維材料在運(yùn)輸、儲(chǔ)存中不得受擠壓，以免碳纖維受損，也不得直接日曬和雨淋，膠結(jié)材料應(yīng)陰涼密閉儲(chǔ)存。 3．各工序的施工質(zhì)量，由技術(shù)人員負(fù)責(zé)指導(dǎo)、監(jiān)督，每一道工序完成后提請(qǐng)技術(shù)員檢查、認(rèn)可后，才能進(jìn)行下道工序。 4． 涂底層涂料 涂料應(yīng)涂刷均勻、不得漏涂，嚴(yán)禁在不適合氣溫條件下施工，添加溶劑稀釋后的涂料應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完。 溫度低于7℃，相對(duì)濕度RH＜85%，混凝土表面含水率在8%以下，無(wú)結(jié)露現(xiàn)象時(shí)，必須使用改性環(huán)氧樹脂。 5. 構(gòu)件表面殘缺修補(bǔ) 構(gòu)造物表面小孔、內(nèi)角必須用環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)平整，膩?zhàn)油抗魏螅砻嫒源嬖诘牟黄讲诩y，應(yīng)再用砂紙磨平。 6. 粘貼碳纖維 ①貼碳纖維材料時(shí)須符合下述條件： a、碳纖維材料應(yīng)按規(guī)定裁切。 b、氣溫、空氣濕度、構(gòu)件表面含水率等符合要求。 c、底層涂料及膩?zhàn)舆_(dá)到指觸干燥（樹脂表面達(dá)到固化硬結(jié)）。 d、粘結(jié)樹脂的類型與施工時(shí)的氣溫適合，主劑和固化劑、固化促進(jìn)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)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完。 ②碳纖維粘貼的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 a、下涂和上涂滲浸入碳纖維束良好。 b、碳纖維粘結(jié)嚴(yán)實(shí)。 c、對(duì)于直徑在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少于10個(gè)可認(rèn)為合格；若每平方米在10個(gè)以上，則認(rèn)為不合格，需進(jìn)行補(bǔ)修。對(duì)于直徑在30mm以上的空鼓，只要出現(xiàn)，即認(rèn)為不合格，需進(jìn)行補(bǔ)修。 d、順纖維方向搭接長(zhǎng)度不小于20cm,各層之間的搭接部位不得位于同一條直線上，層間必須錯(cuò)開至少50cm。 e、碳纖維材料規(guī)格，粘貼位置、長(zhǎng)度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合規(guī)定。 7. 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS146：2003。 十、效益分析 碳纖維加固，只要設(shè)計(jì)合理，與一般的粘貼鋼板法比較費(fèi)用差不多，但碳纖維加固法施工便捷，工效高，沒(méi)有濕作業(yè)，不需現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，施工占用場(chǎng)地少，在施工工期、施工條件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。碳纖維加固法加固效果好，高強(qiáng)高效，適用面廣，質(zhì)量易保證，耐腐蝕及耐久性能極佳。采用碳纖維加固修補(bǔ)后，基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及原構(gòu)件尺寸。 碳纖維加固具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。其抗拉強(qiáng)度是同等截面鋼材的7-10倍。用碳纖維加固材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是近來(lái)發(fā)展而成的新型工法，與混凝土結(jié)構(gòu)形成一體共同工作，利用碳纖維材料卓越的抗拉強(qiáng)度達(dá)到的增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。 這項(xiàng)技術(shù)具有施工簡(jiǎn)便快捷、安全可靠、耐久性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)外形，不影響原結(jié)構(gòu)的外觀等諸多優(yōu)點(diǎn)。已在混凝土結(jié)構(gòu)抗震修復(fù)加固補(bǔ)強(qiáng)工程中得到廣泛的應(yīng)用。 下面重點(diǎn)介紹碳纖維板加固如下： 碳纖維板 Carbon fiber plain Carbon碳纖維板材是用碳纖維和樹脂預(yù)制成型的復(fù)合材料。其秉承了碳纖維自重輕、輕度高和耐腐蝕等特性。卡本CFP系列碳纖維板采用日本東麗公司（TORAY）進(jìn)口碳纖維和樹脂預(yù)制而成，其纖維體積含量大于65%，性能超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50367-2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中碳纖維板材性能指標(biāo)的要求，可廣泛應(yīng)用到結(jié)構(gòu)加固工程中。 ►性能特點(diǎn) 卡本CFP碳纖維板紗線張力均勻，保持了碳纖維強(qiáng)度，產(chǎn)品性能穩(wěn)定； 抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的10倍以上，彈模優(yōu)于鋼材，具有優(yōu)異的抗蠕變和抗震性； 重量輕、柔韌性好、比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高、重量?jī)H為鋼的1／5，有較高的韌性，可以盤卷。 施工便捷，施工質(zhì)量易保證、材料不用預(yù)加工，工序方便； 良好的耐久性和耐腐蝕性，耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕，不須定期維護(hù)。 ►技術(shù)參數(shù)| 產(chǎn)品 型號(hào) | 纖維 方向 | 厚度 （mm） | 幅寬 （mm） | 長(zhǎng)度 （m） | 抗拉強(qiáng)度（MPa） | 彈性模量（GPa） | 纖維體積 含量（%） | 伸長(zhǎng)率 （%） |
| CFP -512 | 單向 | 1.2 | 50 | 50/100 | ≥2400 | ≥160 | ≥65 | ≥1.7 |
| CFP-1012 | 單向 | 1.2 | 100 | 50/100 | ≥2400 | ≥160 | ≥65 | ≥1.7 |
其中，粘貼碳纖維板材的具體方法如下：① 應(yīng)按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維板，按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制粘結(jié)樹脂；②將碳纖維板表面擦拭干凈至無(wú)粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維板兩面均應(yīng)擦拭干凈；③ 擦拭干凈的碳纖維板應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈突起狀，平均厚度不小于2mm；④ 將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維板用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無(wú)空洞。當(dāng)平行粘貼多條碳纖維板時(shí)，兩板之間空隙應(yīng)不小于5mm；⑤ 需粘貼兩層碳纖維板時(shí)，應(yīng)連續(xù)粘貼。如不能立即粘貼，再開始粘貼前應(yīng)對(duì)底層碳纖維板重新做好清潔工作。
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