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碳纖維加固施工方法和應用
發布時間：2014-08-05
國內最早通過的規范是2003年《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》，其編號為CECS146：2003, 已經被最新的國家標準規范2006《混凝土結構加固技術規范》代替,其編號為GB 50367-2006. 碳纖維加固最近的國標是《結構加固修復用碳纖維片材》GB/T 20490-2008,08年10月1日期執行。 一、前言 碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于80年代美、日等發達國家。我國的這項技術起步很晚，但隨著我國經濟建設和交通事業的飛速發展，現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。碳纖維加固修補結構技術是繼加大混凝土截面、粘鋼之后的又一種新型的結構加固技術。 二、特點 碳纖維與傳統的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節省空間，施工簡便，不需要現場固定設施，施工質量易保證，基本不增加結構尺寸及自重，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境、氣候變化的破壞。 (4)施工方便快捷、省力節時、施工質量易于保證。 (5)適用范圍廣，混凝土構件、鋼結構、木結構均可進行加固。可大幅度提高構件的承載能力、抗震性能和耐久性能。 用途 ·混凝土結構物、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構抗彎、抗剪加固，同時廣泛用于各類工業與民用建筑物、構造物的防震、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氧樹脂預浸成為復合增強材料（單向連續纖維）；用環氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，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構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、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 構件表面殘缺面修補 粘貼碳纖維 表面養護 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 將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈。 2 對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，進行修補、復原。 3 裂縫修補：縫寬小于0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫。 4 打磨：將構件表面凸出部分（混凝土構件交接部位、模板的接槎等）打磨平整，修復后的構件表面盡量平順。 5 清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。 2． 缺陷部位涂刷底膠 將配好的底膠（粘結劑），用涂刷均勻于缺陷部位的砼表面。 3． 構件表面殘缺面的修補 用環氧膩子對構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、固化劑按規定比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。 2 構件表面凹陷部位用環氧膩子填平，修復至表面平整。在殘缺修補中使用環氧膩子時，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（粘結劑），用滾筒均勻涂刷于需要粘結的砼表面。 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定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調和量應以在可使用時間內用完為準。 2 粘貼時，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． 養護 粘貼碳纖維材料后，需自然養護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標準和施工規定。 六、材料 符合國標GB50367-2006規定的碳纖維加固材料有: 1),碳纖維單向織物布復合材,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名技術工人、6名普工。 九、質量要求 1．所有進場材料，包括碳纖維材料和膠結材料，必須符合質量標準，并具有出廠產品合格證，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，膠結材料應陰涼密閉儲存。 3．各工序的施工質量，由技術人員負責指導、監督，每一道工序完成后提請技術員檢查、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定時間內用完。 溫度低于7℃，相對濕度RH＜85%，混凝土表面含水率在8%以下，無結露現象時，必須使用改性環氧樹脂。 5. 構件表面殘缺修補 構造物表面小孔、內角必須用環氧膩子修補平整，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、碳纖維材料應按規定裁切。 b、氣溫、空氣濕度、構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）。 d、粘結樹脂的類型與施工時的氣溫適合，主劑和固化劑、固化促進劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻，一次調和量應在規定時間內用完。 ②碳纖維粘貼的質量檢驗標準。 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，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、碳纖維材料規格，粘貼位置、長度、寬度、纖維方向、層數符合規定。 7. 技術標準：《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》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，不需現場固定設施，施工占用場地少，在施工工期、施工條件方面具有明顯的優勢。碳纖維加固法加固效果好，高強高效，適用面廣，質量易保證，耐腐蝕及耐久性能極佳。采用碳纖維加固修補后，基本不增加原結構自重及原構件尺寸。 碳纖維加固具有輕質、高強、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩定等諸多優點。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構是近來發展而成的新型工法，與混凝土結構形成一體共同工作，利用碳纖維材料卓越的抗拉強度達到的增強構件承載能力及剛度的目的。 這項技術具有施工簡便快捷、安全可靠、耐久性好，能適應各種復雜的結構外形，不影響原結構的外觀等諸多優點。已在混凝土結構抗震修復加固補強工程中得到廣泛的應用。 下面重點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制成型的復合材料。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）進口碳纖維和樹脂預制而成，其纖維體積含量大于65%，性能超過國家標準GB50367-2006《混凝土結構加固設計規范》中碳纖維板材性能指標的要求，可廣泛應用到結構加固工程中。 ►性能特點 卡本CFP碳纖維板紗線張力均勻，保持了碳纖維強度，產品性能穩定； 抗拉強度是普通鋼材的10倍以上，彈模優于鋼材，具有優異的抗蠕變和抗震性； 重量輕、柔韌性好、比強度（強度/密度）高、重量僅為鋼的1／5，有較高的韌性，可以盤卷。 施工便捷，施工質量易保證、材料不用預加工，工序方便； 良好的耐久性和耐腐蝕性，耐酸、堿、鹽及大氣環境的腐蝕，不須定期維護。 ►技術參數| 產品 型號 | 纖維 方向 | 厚度 （mm） | 幅寬 （mm） | 長度 （m） | 抗拉強度（MPa） | 彈性模量（GPa） | 纖維體積 含量（%） | 伸長率 （%） |
| 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 應按設計要求的尺寸裁剪碳纖維板，按產品供應商提供的工藝規定配制粘結樹脂；②將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時，對底層碳纖維板兩面均應擦拭干凈；③ 擦拭干凈的碳纖維板應立即涂刷粘結樹脂，膠層應呈突起狀，平均厚度不小于2mm；④ 將涂有粘結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壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證密實無空洞。當平行粘貼多條碳纖維板時，兩板之間空隙應不小于5mm；⑤ 需粘貼兩層碳纖維板時，應連續粘貼。如不能立即粘貼，再開始粘貼前應對底層碳纖維板重新做好清潔工作。
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