碳纤维具有元素碳的各种优良性能﹐如比重小﹑耐热性极好﹑热膨胀系数小﹑导热系数大﹑耐腐蚀性和导电性良好等,同时﹐它又具有纤维般的柔曲性﹐可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维最优良的性能是比强度和比模量超过一般的增强纤维。碳纤维布加固补强混凝土结构的应用研究始于20世纪80年代美国、日本等发达国家,进入20世纪90年代中后期我国的许多科研机构和企业也相继进行了这方面的试验研究。目前,碳纤维布加固混凝土结构技术在我国的许多地区的桥梁和工民建工程中得到了广泛的应用。

一、特点

1. 高强高效、高弹性模量,其抗拉强度比普通钢材高8 ～10倍,将它用粘结树脂与结构粘贴后形成一体,能可靠地与钢筋混凝土共同工作,有优异的补强效果,且适用面广、质量易保证。

2. 施工便捷,工效高,没有湿作业,不需现场固定设施,能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸,可多层粘贴,并能有效地封闭混凝土的裂缝,施工占用场地少。而采用传统的加固补强方法,如包混凝土法、粘钢法,均需进行大量剔凿、植筋、焊接、浇混凝土作业,碳纤维布施工却不需要。因此,它对施工空间要求很低,便于狭窄空间作业,对生产、使用的干扰很小。

3. 耐腐蚀及耐久性能极佳。碳纤维能有效地防护构件的混凝土和钢筋免职受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。碳纤维与胶结构本身及经其补强的构件可以长期承受紫外线、核幅射;长期在- 54 ～80℃下使用,强度不会降低;经加速暴露老化试验验证可历时40 年性能不变;且在表面涂装后,耐用性更加突出。

4. 加固修补后,基本不增加原结构自重,能保持结构原状,外形美观,同时原构件尺寸不会有太大的变化。粘贴后表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。

二、加固原因及适用范围

1. 加固原因。①由于意外事故而导致结构或构件的承载能力而需补强加固的; ②由于混凝土强度或配筋不足而需补强加固的; ③由于结构或构件达到或接近使用年限而需加固的; ④有一部分建筑是未进行抗震设防的,满足不了《建筑抗震鉴定标准》GB50023 - 95要求,需进行抗震加固。

2. 适用范围。①适用于各种结构类型、各种结构部位的加固补强,如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。②基层混凝土的强度等级不低于C15。

三、工艺原理

加固机理是沿受力方向或垂直于裂缝方向将碳纤维布采用高性能的环氧类粘结剂粘结于在受损的混凝土结构的表面,粘结剂作为它们之间的剪力连接媒介,使之形成整体,使碳纤维布与原有钢筋共同工作,利用碳纤维材料良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。形成的新的复合体,能有效地提高强度、刚度、抗裂性和延性。

四、碳纤维布的技术性能

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1 /4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7 ～9倍,抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa / ( g/ cm3 )以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa / ( g/ cm3 )左右,其比模量也比钢高。

五、碳纤维布加固混凝土结构施工方法

1. 工艺流程及操作要求。

工艺流程为卸荷→基底处理→涂底胶→找平(用环氧腻子进行残缺修补) →粘贴→保护(涂装等) →完工验收。考虑被加固工程特殊施工环境因素,加固中应进行卸荷。加固前先将板面粉刷层及板面杂物清除。加固施工中,应先凿开保护层直至结构层基面,方可进行下一步处理。

2. 施工准备。为保证施工质量,工程应由具备资质的专业加固公司进行施工,开工前应对每个施工环节、环境因素、人员素质进行周密考虑和安排,对施工现场进行清理。

3. 主要施工方法。

3. 1卸荷。加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。使碳纤维粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。

3. 2基底处理。

(1)混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,清理干净,达到结构密实部位,使其表面平整。对于较大面积经剔凿、清除和露筋的构件残缺部分或劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复,达到表面平整。

(2)裂缝部位应首先进行封闭处理。宽度小于0. 2mm的裂缝,用环氧树脂进行表面涂抹封闭;大于0. 2mm的裂缝用环氧树脂灌缝。对于一些存在宽度较大的裂缝(最大裂缝达到1mm以上)的部位,应首先对所加固的构件裂缝进行了压力灌胶处理。

(3)检查外露钢筋是否锈蚀。如有锈蚀,需进行必要处理。

(4)用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,构件基面的混凝土要打磨平整,修复后的接槎要尽量平顺,尤其是表面的凸起部位要磨平,转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥20mm) 。

(5)结构或构件表面打磨后,用吹风机将表面灰尘和杂物清理掉,或用水及酒精清洗,并使表面充分干燥。

3. 3涂底胶( FP胶) 。①按主剂∶固化剂= 2∶1 的比例将主剂与固化剂按规定比例用弹簧秤称量准确后先后置于容器中,电动搅拌器均匀搅拌,根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。②用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准)再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d)

3. 4找平。①混凝土表面凹陷部位应用环氧腻子填平,模板接头等出现高度差的部位应用环氧腻子填补,尽量减小高度差。②转角处也应用环氧腻子修补成光滑的圆弧,半径不小于20mm。腻子涂刮后,表面仍存在的凹凸糙纹,应再用砂纸打磨平整。

3. 5粘贴。

(1)按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布,除非特殊要求,碳纤维布长度一般应在3m之内。

(2)调配、搅拌粘贴材料FR胶(使用方法与底胶FP相同) ,然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象,特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。

(3)粘贴碳纤维布,在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸,用特制滚子反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使FR 胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴应重复上述步骤,待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。

(4)在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹FR胶。

(5)碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm,该部位应多涂树脂。碳纤维端部固定用横向碳纤维或粘钢固定。

3. 6保护。加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

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