纖維材料之碳纖維加固方案
2011-12-20 來源：中國百科網(wǎng)
一、前言
碳纖維材料用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補的研究始于80年代美、日等發(fā)達國家。我國的這項技術(shù)起步很晚，但隨著我國經(jīng)濟建設和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有建筑中有相當一部分由于當時設計荷載標準低造成歷史遺留問題，一些建筑由于使用功能的改變，難以滿足當前規(guī)范使用的需求，亟需進行維修、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
碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節(jié)省空間，施工簡便，不需要現(xiàn)場固定設施，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。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，碳素纖維作為劃時代的補強材料，而備受青睞和關(guān)注。
（1）抗拉強度高，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、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)均可進行加固?？纱蠓忍岣邩?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、港灣設施、煙囪、倉庫、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、防腐的補強。
四、工藝原理
將抗拉強度極高的碳纖維用環(huán)氧樹脂預浸成為復合增強材料（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強的結(jié)構(gòu)上，形成一個新的復合體，使增強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)的強度、剛度、抗裂性和延伸性。
五、工藝流程及操作要點
工藝流程可以歸納為：
施工準備
砼表面處理
涂刷底膠
構(gòu)件表面殘缺面修補
粘貼碳纖維
表面養(yǎng)護
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 對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，進行修補、復原。
3 裂縫修補：縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂刷密封；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，修復后的構(gòu)件表面盡量平順。
5 清洗打磨過的構(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
用環(huán)氧膩子對構(gòu)件表面殘缺面的修補是十分重要的一步，要點如下：
1 膩子主劑、固化催進劑、固化劑按規(guī)定比例稱量準確，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)氧膩子填平，修復至表面平整。在殘缺修補中使用環(huán)氧膩子時，要在氣溫-5℃以上，相對濕度小于85%的條件下施工。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。
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，首先應確認粘貼表面干燥。氣溫在-10℃以上，相對濕度RH＞85%時，如無有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維材料運輸、儲存、裁切和粘貼過程中。應用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷碳纖維材料，每段長度一般以不超過6m為宜。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數(shù)量應按當天的用量裁切為準。碳纖維縱向接頭必須搭接20cm以上。該部位應多涂樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點如下：
1 粘貼樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應按規(guī)定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調(diào)和量應以在可使用時間內(nèi)用完為準。
2 粘貼時，在碳纖維和樹脂之間盡量不要有空氣?？捎昧_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
粘貼碳纖維材料后，需自然養(yǎng)護1-2小時達到初期固化，應保證固化期間不受外界干擾和碰撞。
7． 涂裝
若加固補強構(gòu)件需要防火時，可在樹脂固化后涂刷耐火涂層。涂裝應在樹脂初期固化后進行，并應遵守所用涂料的相關(guān)標準和施工規(guī)定。
六、材料
符合國標GB50367-2006規(guī)定的碳纖維加固材料有:
1）,碳纖維單向織物布復合材,200克,250克,300克,以及碳纖維條形板
2）,S玻璃布,（玄武巖布）,單向織物（布）復合材,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
碳素纖維加固材料是高強度碳纖維單向排列,用微量的樹脂浸滲后作為混凝土的修復補強材料，其抗拉強度大約是鋼筋的10倍，并且具有重量輕、高彈性、高強度、高耐久性等特性。目前常用的碳纖維加固材料有國產(chǎn)的上海同砼,北京703,海寧碳布,進口的有日本東麗,臺灣重億,美國赫氏Hexcel,新日本石油.....等
七、機具設備
主要機具有砂輪切割機、角磨機、滾刷等，一般在2～4臺即可滿足工程要求。
八、勞動組織
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．所有進場材料，包括碳纖維材料和膠結(jié)材料，必須符合質(zhì)量標準，并具有出廠產(chǎn)品合格證，符合工程加固補強設計要求。
2．碳纖維材料在運輸、儲存中不得受擠壓，以免碳纖維受損，也不得直接日曬和雨淋，膠結(jié)材料應陰涼密閉儲存。
3．各工序的施工質(zhì)量，由技術(shù)人員負責指導、監(jiān)督，每一道工序完成后提請技術(shù)員檢查、認可后，才能進行下道工序。
4．涂底層涂料
涂料應涂刷均勻、不得漏涂，嚴禁在不適合氣溫條件下施工，添加溶劑稀釋后的涂料應在規(guī)定時間內(nèi)用完。
溫度低于7℃，相對濕度RH＜85%，混凝土表面含水率在8%以下，無結(jié)露現(xiàn)象時，必須使用改性環(huán)氧樹脂。
5. 構(gòu)件表面殘缺修補
構(gòu)造物表面小孔、內(nèi)角必須用環(huán)氧膩子修補平整，膩子涂刮后，表面仍存在的不平糙紋，應再用砂紙磨平。
6. 粘貼碳纖維
①貼碳纖維材料時須符合下述條件：
a、碳纖維材料應按規(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、底層涂料及膩子達到指觸干燥（樹脂表面達到固化硬結(jié)）。
d、粘結(jié)樹脂的類型與施工時的氣溫適合，主劑和固化劑、固化促進劑應按規(guī)定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻，一次調(diào)和量應在規(guī)定時間內(nèi)用完。
②碳纖維粘貼的質(zhì)量檢驗標準。
a、下涂和上涂滲浸入碳纖維束良好。
b、碳纖維粘結(jié)嚴實。
c、對于直徑在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少于10個可認為合格；若每平方米在10個以上，則認為不合格，需進行補修。對于直徑在30mm以上的空鼓，只要出現(xiàn)，即認為不合格，需進行補修。
d、順纖維方向搭接長度不小于20cm,各層之間的搭接部位不得位于同一條直線上，層間必須錯開至少50cm。
e、碳纖維材料規(guī)格，粘貼位置、長度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合規(guī)定。
7. 技術(shù)標準：《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，只要設計合理，與一般的粘貼鋼板法比較費用差不多，但碳纖維加固法施工便捷，工效高，沒有濕作業(yè)，不需現(xiàn)場固定設施，施工占用場地少，在施工工期、施工條件方面具有明顯的優(yōu)勢。碳纖維加固法加固效果好，高強高效，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、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。其抗拉強度是同等截面鋼材的7-10倍。用碳纖維加固材料修復補強混凝土結(jié)構(gòu)是近來發(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度達到的增強構(gòu)件承載能力及剛度的目的。
這項技術(shù)具有施工簡便快捷、安全可靠、耐久性好，能適應各種復雜的結(jié)構(gòu)外形，不影響原結(jié)構(gòu)的外觀等諸多優(yōu)點。已在混凝土結(jié)構(gòu)抗震修復加固補強工程中得到廣泛的應用。
