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工程案例

業(yè)務(wù)范圍

碳纖維加固技術(shù)及可行性分析

發(fā)布時(shí)間：2014-08-05

1.碳纖維材料的基本特性

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。

（1）碳纖維片材；

片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。

片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長(zhǎng)率較低。

相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說(shuō)明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。

（2）配套樹脂類粘結(jié)材料；

混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過(guò)混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)；油灰，用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。

浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構(gòu)件表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作的關(guān)鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強(qiáng)度大于混凝土的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術(shù)而言，環(huán)氧樹脂在不同施工環(huán)境溫度下固化性能有十分重要的意義，因?yàn)檫@涉及到粘貼工作質(zhì)量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時(shí)間緊密相關(guān)。采用專配的環(huán)氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時(shí)，粘貼環(huán)氧樹脂固化時(shí)間約15小時(shí)以上，但粘貼后就可以使用的時(shí)間為45分鐘以上，專配的環(huán)氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。

2.碳纖維加固原理

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、抗裂性和延長(zhǎng)性。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)定等好些長(zhǎng)處。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)展的新型工法，利用碳纖維材料卓越的抗拉強(qiáng)度到達(dá)的增強(qiáng)構(gòu)件承載能力及剛度的目的。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)。

碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗彎加固，是通過(guò)將碳纖維布粘貼于構(gòu)件受拉區(qū)，代替或補(bǔ)充鋼筋的受拉性能，從而提高構(gòu)件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開裂前，碳纖維的應(yīng)變很小；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)迅速加快，其高強(qiáng)高效的性能得以充分體現(xiàn)。

碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構(gòu)件。鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構(gòu)件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構(gòu)件屈服前，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展緩慢，所達(dá)到的最大應(yīng)變值也較小；在構(gòu)件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應(yīng)變發(fā)展加快，應(yīng)變值要高于箍筋的應(yīng)變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應(yīng)變發(fā)展緩慢。

碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。應(yīng)用碳纖維對(duì)混凝土柱進(jìn)行抗震加固，是通過(guò)用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來(lái)提高其延性而實(shí)現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對(duì)其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，這種約束是一種被動(dòng)約束，隨著混凝土柱軸向壓力的增大，橫向膨脹促使外包碳纖維布產(chǎn)生環(huán)向伸長(zhǎng)，從而提高側(cè)向約束力。約束機(jī)制取決于兩個(gè)因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過(guò)程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點(diǎn)在素混凝土峰值應(yīng)力附近；第二階段，構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環(huán)向應(yīng)變顯著增長(zhǎng)，環(huán)向約束力增加，混凝土極限壓應(yīng)變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構(gòu)件的延性。

3.技術(shù)流程介紹.

（1）綜合說(shuō)明

碳纖維加固主要材料很多、分為兩種：一種為國(guó)產(chǎn)碳布；一種為進(jìn)口碳布。一般均采用300克碳纖維布進(jìn)行粘貼加固，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)>3000Mpa，彈性模量>2.1*105Mpa，伸長(zhǎng)率>1.5%。針對(duì)本工程加固部位分為板底粘碳纖維加固。

（2）一般要求

①采用粘貼碳纖維片材對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)使用碳纖維片材、配套樹脂類粘結(jié)材料和表面防護(hù)材料。

②加固用材料應(yīng)具有質(zhì)檢部門的產(chǎn)品性能檢測(cè)報(bào)告和產(chǎn)品合格證；碳纖維片材和配套樹脂類粘結(jié)材料應(yīng)具有符合規(guī)定的物理力學(xué)性能；對(duì)配套的樹脂類粘結(jié)材料還應(yīng)提供耐久性能指標(biāo)及施工和使用環(huán)境要求。

③本規(guī)程所列碳纖維片材的性能指標(biāo)是對(duì)單向碳纖維片材的要求。

④混凝土、鋼筋和其它材料的有關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用。

（3）碳纖維片材

①碳纖維布的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按纖維的凈截面面積計(jì)算，凈截面面積取碳纖維布的計(jì)算厚度乘以寬度。碳纖維布的計(jì)算厚度應(yīng)取碳纖維布的單位面積質(zhì)量除以碳纖維密度。

②碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿足表2.2.1的要求。

表2.2.1碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)

性能項(xiàng)目	碳纖維布	碳纖維板
抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcfk	≥3000MPa	≥2000MPa
彈性模量Ecf	≥2.1×105MPa	≥1.4×105MPa
伸長(zhǎng)率	≥1.5%	≥1.5%

③碳纖維片材的主要力學(xué)性能指標(biāo)可參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》GB/T3354測(cè)定。

（4）配套樹脂類粘結(jié)材料

①采用碳纖維片材對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)采用與碳纖維片材配套的底層樹脂、找平樹脂、浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂。

②配套樹脂類粘結(jié)材料的主要性能應(yīng)滿足表2.2.2表2.2.3和表2.2.4的要求。

表2.2.2底層樹脂的性能指標(biāo)

性能項(xiàng)目	性能指標(biāo)	試驗(yàn)方法
正拉粘結(jié)強(qiáng)度	≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk

表2.2.3找平材料的性能指標(biāo)

性能項(xiàng)目	性能指標(biāo)	試驗(yàn)方法
正拉粘結(jié)強(qiáng)度	≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk

表2.2.4浸漬樹脂和粘結(jié)樹脂的性能指標(biāo)

性能項(xiàng)目	性能指標(biāo)	試驗(yàn)方法
拉伸剪切強(qiáng)度	≥10Mpa	GB7124—1986
拉伸強(qiáng)度	≥30Mpa	GB/T2568—1995
壓縮強(qiáng)度	≥70Mpa	GB/T2569—1995
性能項(xiàng)目	性能指標(biāo)	試驗(yàn)方法
彎曲強(qiáng)度	≥40Mpa	GB/T2570—1995
正拉粘結(jié)強(qiáng)度	≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk
彈性模量	≥1500Mpa	GB/T2568—1995
伸長(zhǎng)率	≥1.5%	GB/T2568—1995

③樹脂類粘結(jié)材料應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行正拉粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。配套樹脂類粘結(jié)可參照《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗(yàn)方法》GB/T14522—93規(guī)定的環(huán)境條件進(jìn)行耐久性檢驗(yàn)。經(jīng)2000h加速老化后，按測(cè)定的正拉粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)明顯降低。

（5）表面防護(hù)材料

①對(duì)已加固完的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)進(jìn)行防護(hù)處理。表面防護(hù)材料應(yīng)與浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂可靠粘結(jié)。

②根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，對(duì)粘碳纖維布表面粘砂、甩素水泥漿，然后用1：3水泥砂漿粉刷10mm厚。

③當(dāng)被加固的結(jié)構(gòu)處于特殊環(huán)境時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況選用有效的防護(hù)材料。

（6）一般構(gòu)造要求

①當(dāng)碳纖維布沿其纖維方向需繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角粘貼時(shí)，構(gòu)件轉(zhuǎn)角處外表面的曲率半徑不應(yīng)小于20mm（圖1.5.1）。

圖2.2.1構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼示意圖

1—構(gòu)件外表面2—碳纖維布

②碳纖維布沿纖維受力方向的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm。當(dāng)采用多條或多層碳纖維布加固時(shí)，各條或各層碳纖維布的搭接位置宜相互錯(cuò)開。

③為保證碳纖維片材可靠地與混凝土共同工作，必要時(shí)應(yīng)采取附加錨固措施。

（7）工藝流程

①一般規(guī)定

1>采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)由熟悉該技術(shù)施工工藝的專業(yè)施工隊(duì)伍承擔(dān)，并應(yīng)有加固方案和施工技術(shù)措施。

2>施工必須按照下列工序進(jìn)行：

3>施工準(zhǔn)備；

4>混凝土表面處理；

5>配制并涂刷底層樹脂；

6>配制找平材料并對(duì)不平整處進(jìn)行找平處理；

7>配制并涂刷浸漬樹脂或粘貼樹脂；

8>粘貼碳纖維片材；

②表面防護(hù)。

1>施工宜在環(huán)境溫度為5℃以上的條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂要求的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)采用適用于低溫環(huán)境的配套樹脂或采取升溫措施。

2>施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹脂固化的不利影響。

3>在進(jìn)行混凝土表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。

4>樹脂配制時(shí)，應(yīng)按產(chǎn)品使用說(shuō)明中規(guī)定的配比稱量并置于容器中，用攪拌器攪拌至色澤均勻。在攪拌用容器內(nèi)及攪拌器上不得有油污和雜質(zhì)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境溫度確定樹脂的每次拌和量，并按要求嚴(yán)格控制使用時(shí)間。

③施工準(zhǔn)備

1>應(yīng)認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)施工圖。

2>應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)和被加固構(gòu)件混凝土的實(shí)際情況，擬訂施工方案和施工計(jì)劃。

3>應(yīng)對(duì)所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機(jī)具等做好施工前的準(zhǔn)備工作。

④表面處理

1>應(yīng)清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層，并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整。

2>應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對(duì)裂縫進(jìn)行灌縫或封閉處理。

3>被粘貼的混凝土表面應(yīng)打磨平整，除去表層浮漿、油污等雜質(zhì)，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。轉(zhuǎn)角粘貼處應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm。

4>混凝土表面應(yīng)清理干凈并保持干燥。

⑤涂刷底層樹脂

1>應(yīng)按產(chǎn)品生產(chǎn)廠提供的工藝規(guī)定配制底層樹脂。

2>應(yīng)采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面。宜在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進(jìn)行下一工序的施工。