工程案例
業務范圍
碳纖維加固技術及可行性分析
發布時間：2014-08-05
1.碳纖維材料的基本特性
碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
（1）碳纖維片材；
片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長率較低。
相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
（2）配套樹脂類粘結材料；
混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材；浸漬樹脂或粘結樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。
浸漬樹脂或粘貼樹脂是將碳纖維片粘附于混凝土構件表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作的關鍵，因此，樹脂同混凝土的粘貼強度大于混凝土的拉伸強度和剪切強度。
就公路混凝土橋梁用碳纖維片材加固技術而言，環氧樹脂在不同施工環境溫度下固化性能有十分重要的意義，因為這涉及到粘貼工作質量與如何盡量減少橋上正常交通中斷時間緊密相關。采用專配的環氧樹脂材料，在混凝土施工表面溫度（10～40）攝氏度時，粘貼環氧樹脂固化時間約15小時以上，但粘貼后就可以使用的時間為45分鐘以上，專配的環氧樹脂材料的這一性能是完全適合混凝土橋梁的加固工作。
2.碳纖維加固原理
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、抗裂性和延長性。碳纖維加固具有輕質、高強、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩定等好些長處。用碳纖維加固材料修復補強混凝土結構，是近來發展的新型工法，利用碳纖維材料卓越的抗拉強度到達的增強構件承載能力及剛度的目的。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。
碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構件。鋼筋混凝土受彎構件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構件受拉區，代替或補充鋼筋的受拉性能，從而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構件受拉區混凝土開裂前，碳纖維的應變很小；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應變增長加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發揮作用，應變增長迅速加快，其高強高效的性能得以充分體現。
碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構件。鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構件的受剪區，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構件屈服前，碳纖維的應變發展緩慢，所達到的最大應變值也較小；在構件屈服后，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應變發展加快，應變值要高于箍筋的應變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應變發展緩慢。
碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱。應用碳纖維對混凝土柱進行抗震加固，是通過用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來提高其延性而實現的。碳纖維的主要作用是對其內部混凝土起到了約束作用，這種約束是一種被動約束，隨著混凝土柱軸向壓力的增大，橫向膨脹促使外包碳纖維布產生環向伸長，從而提高側向約束力。約束機制取決于兩個因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現出兩階段受力過程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點在素混凝土峰值應力附近；第二階段，構件達到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環向應變顯著增長，環向約束力增加，混凝土極限壓應變得以提高，因而推遲了受壓區混凝土的壓碎，充分發揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構件的延性。
3.技術流程介紹.
（1）綜合說明
碳纖維加固主要材料很多、分為兩種：一種為國產碳布；一種為進口碳布。一般均采用300克碳纖維布進行粘貼加固，抗拉強度標準>3000Mpa，彈性模量>2.1*105Mpa，伸長率>1.5%。針對本工程加固部位分為板底粘碳纖維加固。
（2）一般要求
①采用粘貼碳纖維片材對混凝土結構加固時，應使用碳纖維片材、配套樹脂類粘結材料和表面防護材料。
②加固用材料應具有質檢部門的產品性能檢測報告和產品合格證；碳纖維片材和配套樹脂類粘結材料應具有符合規定的物理力學性能；對配套的樹脂類粘結材料還應提供耐久性能指標及施工和使用環境要求。
③本規程所列碳纖維片材的性能指標是對單向碳纖維片材的要求。
④混凝土、鋼筋和其它材料的有關設計指標應按國家現行有關標準采用。
（3）碳纖維片材
②碳纖維片材的主要力學性能指標應滿足表2.2.1的要求。
表2.2.1碳纖維片材的主要力學性能指標
性能項目 | 碳纖維板 | |
抗拉強度標準值fcfk | ≥3000MPa | ≥2000MPa |
彈性模量Ecf | ≥2.1×105MPa | ≥1.4×105MPa |
伸長率 | ≥1.5% | ≥1.5% |
③碳纖維片材的主要力學性能指標可參照現行國家標準《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》GB/T3354測定。
（4）配套樹脂類粘結材料
①采用碳纖維片材對混凝土結構加固時，應采用與碳纖維片材配套的底層樹脂、找平樹脂、浸漬樹脂或粘結樹脂。
②配套樹脂類粘結材料的主要性能應滿足表2.2.2表2.2.3和表2.2.4的要求。
表2.2.2底層樹脂的性能指標
性能項目 | 性能指標 | 試驗方法 |
正拉粘結強度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值ftk |
表2.2.3找平材料的性能指標
性能項目 | 性能指標 | 試驗方法 |
正拉粘結強度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值ftk |
表2.2.4浸漬樹脂和粘結樹脂的性能指標
性能項目 | 性能指標 | 試驗方法 |
拉伸剪切強度 | ≥10Mpa | GB7124—1986 |
拉伸強度 | ≥30Mpa | GB/T2568—1995 |
壓縮強度 | ≥70Mpa | GB/T2569—1995 |
性能項目 | 性能指標 | 試驗方法 |
彎曲強度 | ≥40Mpa | GB/T2570—1995 |
正拉粘結強度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉強度標準值ftk | |
彈性模量 | ≥1500Mpa | GB/T2568—1995 |
伸長率 | ≥1.5% | GB/T2568—1995 |
③樹脂類粘結材料應按規定進行正拉粘結強度測試。配套樹脂類粘結可參照《機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候加速試驗方法》GB/T14522—93規定的環境條件進行耐久性檢驗。經2000h加速老化后，按測定的正拉粘結強度不應明顯降低。
（5）表面防護材料
①對已加固完的結構表面應進行防護處理。表面防護材料應與浸漬樹脂或粘結樹脂可靠粘結。
③當被加固的結構處于特殊環境時，應根據具體情況選用有效的防護材料。
（6）一般構造要求
圖2.2.1構件轉角處粘貼示意圖
③為保證碳纖維片材可靠地與混凝土共同工作，必要時應采取附加錨固措施。
①一般規定
2>施工必須按照下列工序進行：
3>施工準備；
4>混凝土表面處理；
5>配制并涂刷底層樹脂；
6>配制找平材料并對不平整處進行找平處理；
7>配制并涂刷浸漬樹脂或粘貼樹脂；
8>粘貼碳纖維片材；
②表面防護。
1>施工宜在環境溫度為5℃以上的條件下進行，并應符合配套樹脂要求的施工使用溫度。當環境溫度低于5℃時，應采用適用于低溫環境的配套樹脂或采取升溫措施。
2>施工時應考慮環境濕度對樹脂固化的不利影響。
3>在進行混凝土表面處理和粘貼碳纖維片材前，應按加固設計部位放線定位。
4>樹脂配制時，應按產品使用說明中規定的配比稱量并置于容器中，用攪拌器攪拌至色澤均勻。在攪拌用容器內及攪拌器上不得有油污和雜質。應根據現場實際環境溫度確定樹脂的每次拌和量，并按要求嚴格控制使用時間。
③施工準備
1>應認真閱讀設計施工圖。
2>應根據施工現場和被加固構件混凝土的實際情況，擬訂施工方案和施工計劃。
3>應對所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機具等做好施工前的準備工作。
④表面處理
1>應清除被加固構件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結構層，并用修復材料將表面修復平整。
2>應按設計要求對裂縫進行灌縫或封閉處理。
4>混凝土表面應清理干凈并保持干燥。
⑤涂刷底層樹脂
1>應按產品生產廠提供的工藝規定配制底層樹脂。
2>應采用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面。宜在底層樹脂表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
⑥找平處理
1>應按產品生產廠提供的工藝規定配制找平材料。
2>應對混凝土表面凹陷部位用找平材料填補平整，不應有棱角。
3>轉角處應采用找平材料修理成為光滑的圓弧，半徑不應小于20mm。
4>宜在找平材料表面指觸干燥后，盡快進行下一工序的施工。
⑦粘貼碳纖維片材
2>雙層粘貼時應重復上述步驟，并宜在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行下一層粘貼；
3>應在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。
⑧表面防護
1>需要做表面防護時，應按有關標準的規定處理，并保證防護材料與碳纖維片材之間有可靠的粘結。
（8）施工安全和注意事項
①碳纖維片材為導電材料，施工碳纖維片材時應遠離電氣設備和電源，或采取可靠的防護措施。
②施工過程中應避免碳纖維片材彎折。
③碳纖維片材配套樹脂的原料應密封儲存，遠離火源，避免陽光直接照射。
④樹脂的配制和使用場所應保持通風良好。
⑤現場施工人員應采取響應的勞動保護措施。
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