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碳纖維加固包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。
國內(nèi)較早通過的規(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》,其編號為CECS146:2003,
已經(jīng)被較新的國家標準規(guī)范2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》代替,其編號為GB 50367-2006.
碳纖維加固較近的國標是《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(shè)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(shè)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(shè)施,施工質(zhì)量易**,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(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、施工質(zhì)量易于**。
(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。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)抗拉、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。
碳纖維布為按照一定規(guī)則排列組成的碳纖維織物,補強修復(fù)時,在施工現(xiàn)場用浸漬樹脂將碳纖維布粘貼在結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面,固化后與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成復(fù)合體結(jié)構(gòu),限制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)微裂縫的擴展,以此提高構(gòu)件抗拉能力和變形約束力,達到加固的目的。碳纖維布具有輕質(zhì)高強和良好的耐腐蝕優(yōu)點。
四、工藝原理
將抗拉強度較高的碳纖維用環(huán)氧樹脂預(yù)浸成為復(fù)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(fù)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
操作要點:
1.混凝土表面處理
1.1 將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈。
1.2 對經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分,進行修補、復(fù)原。
1.3 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。
1.4 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。
?1.5 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(fù)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(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(yīng)用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷碳纖維材料,每段長度一般以不**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(yīng)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(yīng)多涂樹脂,碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點如下:
5.1 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。
5.2 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(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(yīng)**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(yīng)在樹脂初期固化后進行,并應(yīng)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(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)的泰州 同砼,北京703,海寧碳布,進口的有日本東麗,閩臺重億,美國赫氏Hexcel,新日本石油.....等
七、機具設(shè)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(shè)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(yīng)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(dǎo)、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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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,適用面廣,質(zhì)量易**,耐腐蝕及耐久性能較佳。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(fù)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**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(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。已在混凝土結(jié)構(gòu)抗震修復(fù)加固補強工程中得到廣泛的應(yīng)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(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)進口碳纖維和樹脂預(yù)制而成,其纖維體積含量大于65%,性能**過國家標準GB50367-2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》中碳纖維板材性能指標的要求,可廣泛應(yīng)用到結(jié)構(gòu)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(chǎn)品性能穩(wěn)定;
抗拉強度是普通鋼材的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(zhì)量易**、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。
?應(yīng)用范圍
碳纖維板廣泛應(yīng)用到混凝土梁抗彎、抗剪加固,混凝土樓板、橋梁加固,混凝土、磚砌體墻、剪力墻加固,橋墩、樁柱等加固,以及煙囪、隧道、水池、混凝土管道等加固。
?施工方法
碳纖維板施工必須遵循下列工序進行:(1)施工準備;(2)混凝土表面處理;(3)配制并涂刷底層樹脂;(4)配制找平材料并對不平整處修復(fù)處;(5)配制并涂刷浸漬樹脂或粘貼樹脂;(6)碳貼碳纖維板材;(7)表面防護。
其中,粘貼碳纖維板材的具體方法如下:①應(yīng)按設(shè)計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粉塵。如需粘貼兩層時,對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,使樹脂從兩邊溢出,**密實無空洞。當平行粘貼多條碳纖維板時,兩板之間空隙應(yīng)不小于5mm;⑤需粘貼兩層碳纖維板時,應(yīng)連續(xù)粘貼。如不能立即粘貼,再開始粘貼前應(yīng)對底層碳纖維板重新做好清潔工作。
?注意事項
(1)碳纖維為導(dǎo)電材料,施工時應(yīng)注意安全用電;
(2)碳纖維板施工過程中應(yīng)避免橫向彎折和扭曲,否則容易開裂破壞;
(3)碳纖維板在切割是速度不要太快或者用力過猛,否則容易開裂破壞;
(4)碳纖維板配套樹脂的原料應(yīng)密封儲存,遠離火源,避免陽光直接照射。
碳纖維加固技術(shù)具體操作步驟:
一、一般要求:
1、粘貼碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)由熟悉該技術(shù)施工工藝的專業(yè)施工隊伍完成,并應(yīng)有加固修復(fù)方案和施工技術(shù)措施。
2、碳纖維加固施工必須遵循下列工序進行:
3、施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進行,并應(yīng)符合配套膠粘劑的施工使用溫度。當環(huán)境溫度低于5℃時,應(yīng)使用適用于低溫環(huán)境的配套膠粘劑或采用升溫處理措施。
4、施工時應(yīng)考慮環(huán)境濕度對膠粘劑固化的不利影響。
5、在表面處理和粘貼碳纖維片材前,應(yīng)按加固設(shè)計部位放線定位。
6、膠粘劑配制時應(yīng)按產(chǎn)品使用說明中規(guī)定的配比稱量置于容器中,用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)及攪拌器上不得有油污及雜質(zhì)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境溫度決定膠粘劑的每次拌合量,并按使用要求嚴格控制使用時間。
二、施工準備:
1、應(yīng)認真閱讀施工圖。
2、應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場和被加固構(gòu)件混凝土的實際狀況,擬定施工方案和施工計劃。
3、應(yīng)對所使用的碳纖維片材、配套膠粘劑、機具等作好施工前的準備工作。
三、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)計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理。
3、被粘貼混凝土表面應(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)角粘貼處要進行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑應(yīng)不小于20mm,如右圖所示。4、混凝土表面應(yīng)清理干凈并保持干燥。
四、涂刷底膠:
1、應(yīng)按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制底層膠粘劑,根據(jù)現(xiàn)場實際氣溫決定膠料用量。并嚴格控制使用時間,**過適用時間后不得使用。
2、用滾筒或毛刷將底層膠粘劑均勻涂抹于混凝土表面,膠體厚度不**過0.4mm,并不得漏刷、流淌或有氣泡產(chǎn)生,在底膠表面指觸干燥后立即進行下一步工序施工。
五、找平處理:
1、應(yīng)按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制找平材料。
2、應(yīng)對混凝土表面凹陷部位用找平材料填補平整,且不應(yīng)有棱角。
3、轉(zhuǎn)角處應(yīng)用找平材料修復(fù)為光滑的圓弧,半徑應(yīng)不小于20mm。
4、應(yīng)在找平材料表面指觸干燥后立即進行下一步工序施工。
六、粘貼碳纖維布:
1、按設(shè)計要求的尺寸裁剪碳纖維布,除非特殊要求,碳纖維布長度應(yīng)在3米以內(nèi),當碳纖維布長度大于3米時,應(yīng)用簡易滾芯卷起待用,如右圖所示。裁剪好的碳纖維布應(yīng)注意防塵與保護,不得污染與彎折。
2、應(yīng)按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制浸漬膠粘劑并用短毛滾均勻涂抹于所要粘貼的部位,在搭接、拐角部位適當多涂抹一些。
3、用專用的無毛滾筒在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)多次滾壓直至膠粘劑滲出碳纖維布外表面,以去除氣泡,使浸漬膠粘劑充分浸透碳纖維布,滾壓時不得損傷碳纖維布。
4、多層粘貼重復(fù)上述步驟,應(yīng)在纖維表面浸漬膠粘劑指觸干燥后立即進行下一層的粘貼;
5、在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬膠粘劑。
表面防護當需要表面防護時,應(yīng)按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定處理,并**防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結(jié)。
七、施工安全及注意事項:
1、碳纖維片材為導(dǎo)電材料,施工碳纖維片材時應(yīng)遠離電氣設(shè)備及電源,或采取可靠的防護措施。
2、施工過程中應(yīng)避免碳纖維片材的彎折。
3、碳纖維片材配套膠粘劑的原料應(yīng)密封儲存,遠離火源,避免陽光直接照射。
4、膠粘劑的配制和使用場所應(yīng)保持通風良好。
5、現(xiàn)場施工人員應(yīng)采取相應(yīng)的勞動保護措施。
6、膠粘劑在配制前應(yīng)先將甲乙組分分別攪拌均勻,攪拌器具不得混用。
八、檢驗與驗收:
1、在開始施工之前,應(yīng)確認碳纖維片材及配套膠粘劑類粘結(jié)的產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量出廠檢驗報告,各項性能指標應(yīng)符合要求。
2、采用碳纖維片材及配套膠粘劑類粘結(jié)材料對混凝土結(jié)構(gòu)進行加固修復(fù)時,應(yīng)嚴格按施工工藝及流程的有關(guān)條款進行各工序隱蔽工程檢驗與驗收。如施工質(zhì)量不能滿足施工工藝及流程的有關(guān)條款要求時,應(yīng)立即采取補救措施或返工。
3、碳纖維片材實際粘貼面積應(yīng)不少于設(shè)計量,位置偏差應(yīng)不大于10mm。
4、碳纖維片材與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片材表面的方法來檢查,總有效粘結(jié)面積不應(yīng)低于95%。當碳纖維布的空鼓面積小于10000㎜2時,可采用針管注膠的方式進行補救。空鼓面積大于10000㎜2時,宜將空鼓處的碳纖維片材切除,重新搭接貼上等量的碳纖維片材,搭接長度不小于100mm。
5、必要時可對碳纖維片材和配套膠粘劑類粘結(jié)材料進行現(xiàn)場取樣檢驗。
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