碳纖維加固講解

1、砼結(jié)構(gòu)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固施工工法主要完成人：張海波、劉陽(yáng)、于文軒、楊斌、王萍1 前言近年來(lái)，由于受施工質(zhì)量及各種自然環(huán)境、人為因素的綜合影響，已建成的混凝土結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)承載力不足、混凝土表面裂縫等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常使 用。這些問題大部分是能通過加固改造解決的。碳纖維(carbo n fiber rei nforeed polymer簡(jiǎn)稱CFRP )具有抗拉強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性和耐久性好等 優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)碳纖維加固方法是利用樹脂類粘結(jié)材料將碳纖維片材(碳纖維布和碳 纖維板的總稱)粘結(jié)于混凝土表面，以達(dá)到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的，是近年來(lái)應(yīng)用比較先進(jìn)的加固方法。我公司自1999年承擔(dān)湖北省建設(shè)廳

2、碳纖維用于 混凝土結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用研究”課題后，通過若干年工程的檢驗(yàn)，對(duì)該項(xiàng)施工工藝運(yùn) 用嫻熟，特將此編寫為工法。2 工法特點(diǎn)2 . 1補(bǔ)強(qiáng)材料薄、重量輕，強(qiáng)度高：碳纖維片材基本不增加原結(jié)構(gòu)尺寸及 自身重量。其抗拉強(qiáng)度是普通 HRB335鋼的710倍，且具有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)效 果。2 . 2抗腐蝕：能有效地防護(hù)構(gòu)件的混凝土和鋼筋免受酸、堿、鹽、水等介 質(zhì)的腐蝕，應(yīng)用面廣。2 . 3耐久性能好，耐磨損、抗老化：碳纖維片與環(huán)氧樹脂膠結(jié)材料本身及 經(jīng)其補(bǔ)強(qiáng)的混凝土構(gòu)件可以長(zhǎng)期承受紫外線輻射。碳纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度約 為靜荷強(qiáng)度的70%80%，并在破壞前有變形顯著的征兆。2 . 4保持結(jié)構(gòu)原狀，外形美觀：碳纖

3、維片材便于隨構(gòu)件原形裁剪、貼附。 修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)不增加構(gòu)件高寬尺寸及體積，且表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材 料。2 . 5施工簡(jiǎn)便，快捷：傳統(tǒng)加固補(bǔ)強(qiáng)施工工藝如粘鋼、外包混凝土方法必 須進(jìn)行大量混凝土剔鑿、鋼筋綁扎、焊接、澆筑混凝土以及大型機(jī)械設(shè)備吊裝等 作業(yè)，而碳纖維片加固補(bǔ)強(qiáng)施工對(duì)施工空間要求很低，便于在狹小空間作業(yè)，施工快捷，對(duì)周圍的干擾很小。3 適用范圍工業(yè)與民用建筑中鋼筋混凝土梁、板、柱、剪力墻結(jié)構(gòu)，橋梁涵洞、隧道、 襯砌、鋼筋混凝土煙囪、筒倉(cāng)、池罐側(cè)壁等，因結(jié)構(gòu)損傷承載力不足及改變，且 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)不小于 C15，且長(zhǎng)期使用的環(huán)境溫度不高于60 C的鋼 筋混凝土結(jié)構(gòu)，都可采

4、用碳纖維加固施工工法加固、補(bǔ)強(qiáng)。4 工藝原理碳纖維加固是采用碳纖維片材（抗拉強(qiáng)度極高的碳纖維絲在高溫下拉拔”成型，單向排列成束，并經(jīng)環(huán)氧樹脂膠預(yù)浸而成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材），以環(huán) 氧樹脂作為膠結(jié)材料，將纖維片材沿受力方向或垂直于裂縫方向粘貼在受損結(jié)構(gòu) 上,膠結(jié)材料作為它們之間的剪力連接媒介， 形成新的復(fù)合體，使增強(qiáng)貼片與原 有鋼筋共同作用，增大了結(jié)構(gòu)抗拉或抗剪能力，并能有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，延 性及抗裂性，控制裂縫和撓度的繼續(xù)發(fā)展，從而起到加固補(bǔ)強(qiáng)的作用。必要時(shí)也 可交叉粘貼單向纖維片材。整個(gè)工藝的關(guān)鍵在于碳纖維片粘貼的緊密性與牢固 性，以保證與原結(jié)構(gòu)形成整體，共同工作。555555施工工藝流

5、程及操作要點(diǎn).1工藝流程 2操作要點(diǎn).2 . 1施工準(zhǔn)備1 .應(yīng)認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)施工圖。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。2 .應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和加固構(gòu)件混凝土的補(bǔ)強(qiáng)荷載要求，制定相應(yīng) 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)具等做好施工前的物質(zhì)準(zhǔn)備工 作。4 .進(jìn)場(chǎng)后的碳纖維片材、配套樹脂應(yīng)抽樣送檢，合格后方可施工。5 .施工宜在環(huán)境溫度為5C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 5C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 . 2卸荷加固前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)加固構(gòu)件進(jìn)行卸載。.2 .

6、 3構(gòu)件表面處理1 .將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈并達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位2 .檢查外露鋼筋是否銹蝕，如有銹蝕，需進(jìn)行必要處理。3 對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，用高于原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的 環(huán)氧砂漿進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原、達(dá)到表面平整。4 .應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿或封閉處理： 縫寬小于0.20mm 的裂縫, 用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂抹密閉；大于或等于 0.20mm 的裂縫用環(huán)氧樹脂灌 縫。5 對(duì)貼片范圍的定位、劃墨線、按修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。6 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)角處理并打磨加以圓化，如圖 5.2.3-

7、1 所示。圓化半徑對(duì)于梁不應(yīng)小于 20mm ;對(duì)于柱不應(yīng)小于25mm 彈性模量伸長(zhǎng)率表7.1-2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)值參見現(xiàn)行標(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表7.1-3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)值參見現(xiàn)行標(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表7.1-4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 10MPaGB7124-1986拉伸強(qiáng)度 30MPaGB/

8、T2568-1995壓縮強(qiáng)度70MPaGB/T2569-1995彎曲強(qiáng)度 40MPaGB/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CECS146:2003彈性模量 1500MPaGB/T2568-1995伸長(zhǎng)率 1.5%GB/T2568-19957 . 2碳纖維應(yīng)貼于梁的受拉區(qū)的下緣， 如需要貼于梁側(cè)面時(shí)，僅限于1/4梁高 的范圍，對(duì)側(cè)面的碳纖面積應(yīng)乘以折減系數(shù)。7.3碳纖維粘貼層數(shù)不宜層數(shù)過多；對(duì)多層碳纖維應(yīng)考慮共同工作系數(shù)的折減，碳纖維層數(shù)過多將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的脆性破壞。7 . 4碳纖維布互相銜接（接長(zhǎng)）的部位采取重疊結(jié)構(gòu)，重疊部分長(zhǎng)度為不小于

9、100mm。對(duì)于柱的抗震加固時(shí)，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于 150mm，各條帶搭接位置應(yīng)相互錯(cuò)開。7 . 5氣溫在5 C以下、相對(duì)濕度RH 85 %、混凝土表面含水率在 8%以上、 有結(jié)露的可能時(shí)，無(wú)有效措施不得施工。7 . 6施工過程中應(yīng)避免碳纖維片材彎折。7. 7碳纖維片材的實(shí)際粘貼面積不應(yīng)少于設(shè)計(jì)面積，位置偏差不應(yīng)大于10mm。7 . 8碳纖維片材與混凝土之間的粘貼質(zhì)量，可用小錘輕輕敲擊或手壓碳纖維片 材表面的方法檢查，總有效粘貼面積不應(yīng)低于95 %。當(dāng)碳纖維的空鼓面積不大于10000時(shí)，可采用針管注膠的方法進(jìn)行修補(bǔ)；當(dāng)空鼓面積大于10000，宜將 空鼓部位的碳纖維片材切除，重新搭接貼上等量的碳纖

10、維片材，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于 100mm。7 . 9碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)應(yīng)在已完成碳纖維片材粘 貼加固的結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行。按實(shí)際粘貼碳纖維片材的加固結(jié)構(gòu)表面面積計(jì)，500以下工程取一組試樣，500至1000工程取兩組試樣，1000 以上工程每1000取兩組試樣。試樣應(yīng)由檢驗(yàn)人員隨機(jī)抽取，試樣間距不得小于500mm。7 . 10應(yīng)對(duì)碳纖維片材配套底樹脂類粘結(jié)材料單層或復(fù)合涂層與混凝土之間的正拉粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定方法見碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS146:2003。8 安全措施大多數(shù)膠粘劑中含有有機(jī)溶劑和有損人體健康的化學(xué)物品，因此在整個(gè)加固補(bǔ)強(qiáng)過程中，都必須注意安全

11、和勞動(dòng)保護(hù)，主要防護(hù)措施如下：8.1工長(zhǎng)要每天進(jìn)行班前安全教育和隨時(shí)安全檢查， 充分確認(rèn)材料的使用方法、 保管及管理方式后才可施工。8. 2安排整理好通道、施工架等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，施工人員必備的口罩、護(hù)目鏡、 橡皮手套、安全帽、安全帶等必須嚴(yán)格穿戴。8 . 3使用有機(jī)溶劑并在密閉的場(chǎng)所施工，應(yīng)有通風(fēng)換氣措施，并嚴(yán)禁吸煙，避 免火災(zāi)。8 . 4底漆、環(huán)氧樹脂、涂料等若沾到皮膚，應(yīng)以肥皂水洗凈，如碰到眼睛，應(yīng) 即以大量清水沖洗，并緊急送到醫(yī)院治療。8 . 5碳纖維片材為導(dǎo)電材料，施工碳纖維片材時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電氣設(shè)備和電源，或采 取可靠的防護(hù)措施，并配備有滅火器以便救護(hù)。8 . 6樹脂的配置和使用場(chǎng)所應(yīng)保持

12、通風(fēng)良好。9 .環(huán)保措施9 . 1碳纖維片材配套樹脂的原料應(yīng)密封儲(chǔ)存，遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射。9 . 2廢棄的碳纖維片材及其配套的粘貼材料，不可隨意丟棄，應(yīng)遵循相關(guān)的規(guī) 定執(zhí)行。10 .效益與施工效率分析10 . 1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益碳纖維片材的重量輕、強(qiáng)度高，隨形性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的修復(fù) 補(bǔ)強(qiáng)，基本不增加結(jié)構(gòu)重量；碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝施工簡(jiǎn)便，無(wú)需任何夾具、模 板和支撐，雖然碳纖維本身的價(jià)格高于其他材料， 但施工總費(fèi)用較其他材料有優(yōu) 勢(shì)。它免除了鋼板補(bǔ)強(qiáng)、混凝土補(bǔ)強(qiáng)等傳統(tǒng)方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立 模、支撐、灌注混凝土、養(yǎng)護(hù)、拆模等繁雜的工序和輔助設(shè)施，而且占用空間小， 即使在

13、高空作業(yè)，也只需設(shè)置簡(jiǎn)易工作平臺(tái)即可。因此，用碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混 凝土結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)將低于傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)方法，經(jīng)濟(jì)效益視具體工程情況而定，越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)其效益將愈明顯。另外，碳纖維片補(bǔ)強(qiáng)有非常良好的抗腐蝕性能和耐 久性，不需作任何防腐處理，而粘鋼加固則需做定期防銹、防腐處理。因此，碳 纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。10 . 2社會(huì)效益由于碳纖維片材修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的施工簡(jiǎn)便、施工周期短、占用空間小，使施工對(duì) 周圍的影響小。例如：城市橋梁、大型公用設(shè)施、工業(yè)與民用建筑的維修，為了 減少施工帶來(lái)的損失，必要時(shí)在一定條件下還可在交通設(shè)施正常運(yùn)營(yíng)、工廠正常 生產(chǎn)的情況下進(jìn)行作業(yè)，因此有一定的社會(huì)效益。對(duì)

14、受意外災(zāi)害，特別是地震災(zāi) 害引發(fā)的房屋、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)物的震損，用碳纖維片材快速修復(fù)，使城鎮(zhèn)人 民的生產(chǎn)、生活盡快恢復(fù)正常，則其社會(huì)效益和環(huán)境效益都將是巨大的。11 應(yīng)用實(shí)例11.1民意廣場(chǎng)三號(hào)樓工程（1998年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下兩層，地上 二十五層，總建筑面積11000。其中地下兩層柱至地上四層柱，以及梁柱接頭 部位采用粘貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固，運(yùn)用碳纖維面積 500。11 . 2華工科技樓工程（2000年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層，地上十三 層，總建筑面積9000 。剪力墻、框架梁、板采用粘貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固，碳纖 維粘貼面積1000。11 . 3宜昌濱江國(guó)際花園商住樓工程（2005年），框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上十 七層，建筑面積33796.8 。由于業(yè)主改變使用功能，地下二層至地上五層剪力 墻、框架梁、柱均采用粘貼碳纖