某建筑碳纖維加固施工方案

碳纖維加固施工及質(zhì)量控制[摘要]：碳纖維具有強(qiáng)度高、自重輕、施工方便、快捷、應(yīng)用廣泛等優(yōu)良性能，因而利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長(zhǎng)壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。本文以某加固工程為例介紹了碳纖維復(fù)合材料在因功能改變引起荷載變化的構(gòu)件加固中施工工藝。[關(guān)鍵字]：碳纖維材料混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)1．工程概況某工程地下二層，地上十六層，總建筑面積26295m2，，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積1580m2現(xiàn)澆框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑功能為住宅。該工程標(biāo)準(zhǔn)層3.1m，檐口高度54.05m，設(shè)3部電梯。2．需要進(jìn)行加固的背景情況該工程主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)為每層6個(gè)戶型，主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，建設(shè)單位因?yàn)槭袌?chǎng)原因，將原有的6個(gè)大戶型改為18個(gè)小戶型，每個(gè)戶型有獨(dú)立的使用功能，需要增加樓面荷載及設(shè)備、通風(fēng)道等需開(kāi)洞。樓面荷載的問(wèn)題是將原設(shè)計(jì)采用的陶粒隔墻板改為輕質(zhì)隔墻條板的方法解決。樓板開(kāi)洞加固經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、甲方、監(jiān)理及總包共同協(xié)商及比較各種加固方法的工期和造價(jià)因素，最后決定采用粘貼碳纖維布加固。3．碳纖維加固簡(jiǎn)介碳纖維布加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，它是利用樹(shù)脂類粘結(jié)材料將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維材料(carbonfibrereinforcedpoly-mer)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)的研究始于80年代美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)起步很晚，近年來(lái)發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。3.1.碳纖維布結(jié)構(gòu)加固技術(shù)簡(jiǎn)介粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維增強(qiáng)聚合物（carbonfibrereinforcedpoly-mer簡(jiǎn)稱cfrp，也稱為碳纖維增強(qiáng)塑料）是由環(huán)氧樹(shù)脂粘高抗拉強(qiáng)度的碳纖維束而成的。使用碳纖維布加固具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高（強(qiáng)度為普通鋼材的10倍以上），效果好；加固后能大大提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性及耐久性；自重輕（約200g/m2），基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，適用范圍廣；施工簡(jiǎn)便（不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料），易于操作，經(jīng)濟(jì)性好；施工工期短；因此，碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)方面已產(chǎn)生較大的效應(yīng)。碳纖維加固技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。3.2碳纖維布加固的原理用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的。3.3碳纖維布加固在本工程中的應(yīng)用數(shù)量碳纖維布的加固主要在后開(kāi)洞口周邊，根據(jù)設(shè)計(jì)要求：后開(kāi)洞口周邊四個(gè)方向粘貼雙層碳纖維布，并且伸至支座梁的位置。本工程中碳纖維覆蓋面積約為890m2。4．碳纖維加固的施工4.1施工工藝工藝流程為卸荷—基底處理—涂底膠—找平—粘貼—保護(hù)?？紤]本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應(yīng)進(jìn)行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。本工程加固施工中，應(yīng)先鑿開(kāi)原有裝飾面層直至結(jié)構(gòu)層基面，方可進(jìn)行下一步處理?；臼┕げ襟E：基底處理：①混凝土表面出現(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)。②混凝土角磨機(jī)、砂紙等機(jī)具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸起部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R≥20mm）。③風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。涂底膠①按配合比主劑∶固化劑＝3:1配置底膠。將主劑與固化劑先后置于容器中，用彈簧秤計(jì)量，電動(dòng)攪拌器均勻攪拌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量并嚴(yán)格控制使用時(shí)間，一般情況下20—50mim內(nèi)用完。②將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn)）再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時(shí)間為6—24h。找平①混凝土表面凹陷部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用修補(bǔ)劑填補(bǔ)，盡量減小高度差。②轉(zhuǎn)角處也應(yīng)用修補(bǔ)劑修補(bǔ)成光滑的圓弧，半徑不小于20mm。待修補(bǔ)劑表面指觸干燥后方可進(jìn)行下一步工序。粘貼①按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布。②調(diào)配、攪拌粘貼材料粘結(jié)劑（使用方法與底膠相同），然后均勻涂抹于待粘貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底膠稍厚。嚴(yán)禁出現(xiàn)漏刷現(xiàn)象，特別注意要粘貼碳纖維的邊緣部位。③粘貼碳纖維布，在確定所粘貼部位無(wú)誤后，用特制工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使粘結(jié)膠充分浸透碳纖維布；并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。多層粘貼應(yīng)重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的粘貼。④在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹粘結(jié)膠。用工具反復(fù)沿纖維方向滾壓，并用刮板刮涂碳纖維布表面粘結(jié)膠，使之均勻。⑤碳纖維布沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得小于200mm。保護(hù)加固后的碳纖維布表面采用抹灰或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。質(zhì)量要求①每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢查，并做好相關(guān)的驗(yàn)收記錄，如出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)立即返工。②施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工具輕輕敲擊碳纖維布表面，以回音判斷粘結(jié)效果。如出現(xiàn)空鼓等粘貼不密實(shí)的現(xiàn)象，應(yīng)采用針管注粘結(jié)膠的方法進(jìn)行補(bǔ)救。粘結(jié)面積若少于90%則判定粘結(jié)無(wú)效，需重新施工。③嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度。施工溫度在5－35℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度不大于70%。4.2.施工方案4.2.1膠粘劑的配置：①將原材料按不同配合比稱量準(zhǔn)確，分別配置底涂膠料、整平膠料及粘結(jié)膠料。先將稀釋劑加入聚合物主料內(nèi)攪拌均勻，再將填料加入繼續(xù)攪拌至均勻，最后加入固化劑，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂?。②配置膠料時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：底涂膠料每次配置量以1－2公斤為宜；整平膠料每次配置量以0.5－1公斤為宜；粘結(jié)膠料每次配置量以1－2公斤為宜。③所有膠料要求于1小時(shí)內(nèi)施工完畢。4.2.2基底處理①混凝土表面如出現(xiàn)剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予剔除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層，在剔除后應(yīng)用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)。②裂縫部位，如有必要應(yīng)先進(jìn)行封閉處理。③用混凝土角磨機(jī)、砂輪（砂紙）等工具，去除混凝土表面的浮漿、油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀（R310mm）。④用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈并保持干燥。使用中國(guó)建科院研制生產(chǎn)EC高強(qiáng)度聚合物砂漿修補(bǔ)表面凹陷底部分。4.2.3涂底膠①按一定比例將主劑與固化劑先后置于容器中，用攪拌器攪拌均勻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫決定用量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。②用滾桶刷或毛刷將膠均勻涂抹于混凝土構(gòu)件表面，厚度不超過(guò)0.4mm，并不得漏刷或有流淌、氣泡，等膠固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時(shí)），再進(jìn)行下一道工序。4.2.4用整平膠料找平①混凝土表面凹陷部位應(yīng)用刮刀嵌刮整平膠料修補(bǔ)填平，模板接頭等出現(xiàn)高度差的部位應(yīng)用整平膠料填補(bǔ)，盡量減少高差。②轉(zhuǎn)角的處理，應(yīng)用整平膠料將其修補(bǔ)為光滑的圓弧，半徑不小于10mm。③整平膠料須固化后（固化時(shí)間視現(xiàn)場(chǎng)氣溫而定，以手指觸感干燥為宜，一般不小于2小時(shí)），方可再進(jìn)行下一道工序。4.2.5粘貼碳纖維布①按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維布，除非特殊要求，碳纖維布長(zhǎng)度應(yīng)在3m以內(nèi)。②配置、攪拌粘貼膠料，然后用滾筒刷均勻涂抹于所粘貼部位，在搭接、拐角部位適當(dāng)多涂抹一些。③用特制光滑滾子在碳纖維布表面沿同一方向反復(fù)滾壓至膠料滲出碳纖維布外表面，以去除氣泡，使碳纖維布充分浸潤(rùn)膠料。多層粘貼應(yīng)重復(fù)以上步驟，待纖維表面指觸感干燥為宜，方可進(jìn)行下一層碳纖維布的粘貼。④在最外一層碳纖維布的外表面均勻涂抹一層粘貼膠料。5．碳纖維加固施工的量控制5.1質(zhì)量保證措施：對(duì)于砼工程，應(yīng)振搗密實(shí)，面層平整，砂漿拌制嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配比，杜絕偷工減料現(xiàn)象發(fā)生。碳纖維粘貼工程：碳纖維布沿纖維方向的搭接長(zhǎng)度不得小于100mm。粘貼碳纖維布應(yīng)盡量避開(kāi)障礙物，如遇無(wú)法清除的障礙物而需截?cái)鄷r(shí)，在截?cái)嗖课灰枰赃m當(dāng)處理，具體措施應(yīng)視不同情況而定。碳纖維材料方面的可靠保證碳纖維片具有極佳的力學(xué)性能，是與它自身的材質(zhì)屬性、成片加工工藝密不可分的。目前，國(guó)產(chǎn)碳纖維布與進(jìn)口碳纖維布之間從質(zhì)量、性能及生產(chǎn)工藝上，都存在著較大的差異，具體表現(xiàn)為：①材料的勻質(zhì)性：碳纖維束只有分布排列均勻，加工成片后才能起到整體均勻受力的作用；若才只得勻質(zhì)性不好，則構(gòu)件受力后導(dǎo)致纖維片局部受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來(lái)。因此，材料的勻質(zhì)性問(wèn)題，是目前國(guó)產(chǎn)碳纖維片提高質(zhì)量所待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。②碳纖維片中預(yù)浸樹(shù)脂的含量：我們用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的碳纖維片是含有預(yù)浸樹(shù)脂的。其作用是使纖維之間相互約束、相互粘結(jié)成為共同受力的整體，但其含量過(guò)多、浸漬過(guò)厚，卻無(wú)益于修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)。因?yàn)樘祭w維補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是靠上涂及下涂環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)碳纖維片的反復(fù)滲透來(lái)完成的。如果纖維片中預(yù)浸樹(shù)脂的含量過(guò)多，則粘貼碳纖維片時(shí)樹(shù)脂的滲透效果就比較差，直接影響施工質(zhì)量。目前國(guó)產(chǎn)材料在控制低預(yù)浸樹(shù)脂含量方面與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有較大差距。③碳纖維的段絲率：由于纖維絲很細(xì)，只有7μm，極易出現(xiàn)段絲。因此，盡可能地減少纖維絲的斷裂，確保纖維片的連續(xù)性與整體性，是確保最終補(bǔ)強(qiáng)效果的一個(gè)重要參數(shù)。這也是國(guó)產(chǎn)材料需要解決的一個(gè)大問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)原絲的雜質(zhì)多，是導(dǎo)致碳纖維強(qiáng)度不高的主要原因之一（見(jiàn)下表）。國(guó)內(nèi)外碳纖維中金屬雜質(zhì)含量比較（引自[高科技纖維與應(yīng)用]雜志2005年第3期）（單位：10－6）生產(chǎn)廠家NaKCaMgFe小計(jì)日本T30010-151-151021-524-27日本T80010.13.518.53.4/35.5國(guó)內(nèi)甲廠1426241153128國(guó)內(nèi)乙廠952210517101340（注：T300為文獻(xiàn)值，其它為實(shí)測(cè)值）為確保碳纖維片修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，本公司使用的碳纖維片是性能質(zhì)量?jī)?yōu)異的產(chǎn)品。5.2安全施工及場(chǎng)容：裁剪及使用碳纖維布時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源，尤其是高壓電線及輸電線路。碳纖維布的配套用膠要遠(yuǎn)離火源，避免陽(yáng)光直接照射?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員應(yīng)穿工作服，同時(shí)還須佩戴口罩和手套，施工人員嚴(yán)禁在現(xiàn)場(chǎng)吸煙。配置及使用膠的場(chǎng)所必須保持良好的通風(fēng)。施工所用砂、石子、水泥等材料堆碼整齊，施工完畢后，將施工所產(chǎn)生的垃圾及時(shí)清運(yùn)出現(xiàn)場(chǎng)，作到工完場(chǎng)清。6．碳纖維加固的驗(yàn)收6.1工程驗(yàn)收時(shí)必須有碳纖維及其配套膠料廠家所提供的材料檢驗(yàn)證明。目前，國(guó)內(nèi)外碳纖維材料及配套結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)廠家有多家，選購(gòu)前應(yīng)認(rèn)真了解材料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及操作說(shuō)明，本工程所用的各材料指標(biāo)如表1～表3?？估瓘?qiáng)度（mpaa）彈性模量（mpaa）延伸率（%）密度（g/cm3）耐腐蝕性浸透性均勻度50002.35×10552.11.8優(yōu)良好良好表1結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)用碳纖維材料（cfrp-t700s）主要性能指標(biāo)表2碳纖維織物數(shù)據(jù)單位面積重量(gg/m2)徑向纖維緯向纖維徑向密度根/cm緯向密度根/cm220碳纖維尼龍線2.651.6徑向重量比例%緯向重量比例%碳布寬度(mm)積層厚度(mm)積層厚度為加入樹(shù)樹(shù)脂后其纖維維體積含量為為50%時(shí)的厚度9916100.2表3建筑結(jié)構(gòu)膠主要技術(shù)性能指標(biāo)結(jié)構(gòu)膠名稱jgn-cjgn-p作用粘貼碳纖維專用膠膠與jgn-c配套使使用的底膠外觀甲組分白色蠟狀膏體無(wú)色透明液體乙組分棕色液體棕紅色液體粘接拉伸強(qiáng)度（mmpa）＞30.0粘接強(qiáng)度(混凝土土-混凝土)混凝土破壞拉伸剪切強(qiáng)度（mmpa）＞20.0/壓縮強(qiáng)度（mpaa）＞50.0/彎曲強(qiáng)度（mpaa）＞30.0/混合黏度（20℃℃時(shí)）＜5000cp(不不流掛)/涂布量0.6～1.0kkg/m20.25～0.33kg/m2適用期（20℃時(shí)時(shí)）＞90min可使用時(shí)間20～40min硬化時(shí)間（20℃℃時(shí)）＜3.0h指干時(shí)間（20℃℃時(shí)）2h甲:乙=3:1甲:乙=3:1使用溫度10～35℃/6.2每一道工序結(jié)束后均應(yīng)按工藝要求進(jìn)行檢驗(yàn)，作好相關(guān)的驗(yàn)收記、施工結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收以評(píng)定碳纖維布與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量為主，用小錘等工