摘要:文章阐述了碳纤雏的高抗拉性、高弹性、轻质及耐腐蚀性等优良性能。分析了碳纤维加固的适用范围。介绍了碳纤维加固混凝土结构的工艺流程、施工方法及质量控制要点,从而进一步推广碳纤维加固技术的应用。

关键词:碳纤维;混凝土结构;加固技术;房屋建筑

碳纤维片材(CFRP)加固修复混凝土结构技术是一项新型的应用外粘高性能复合材料加固结构的技术。碳纤维具有比钢材高出十几倍的抗拉强度和相当于1倍至2倍的弹性模量,将碳纤维片材用环氧树脂粘贴于混凝土结构的表面,利用其良好的抗拉强度达到增强构件承载能力的目的,具有高强、质轻、高效、便捷等优点。

一、碳纤维片材的特点

1.碳纤维片材轻质高强,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,能可靠的与钢筋混凝土共同工作,有优异的补强效果,而结构自重的增加几乎可以忽略。碳纤维布制成复合材料后的比重降低至钢铁的五分之一,是非常轻质的材料。

2.抗腐蚀性能好。碳纤维能有效防护构件的混凝土和钢筋免受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀,大大减少了防腐、维修费用,对内部的混凝土结构也起到了保护作用。

3.耐老化性。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、核辐射;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.保持结构原状,外形美观的碳纤维片材便于随构件原形贴附,基本不改变构件断面尺寸,粘贴后每平方米重量不到1kg,厚度仅1mm左右,对结构的自重及尺寸影响很小,对结构产生的附加荷载小。

5.施工便捷,工效高,没有湿作业,易于操作。碳纤维材料自重轻,能在狭小的空间操作,施工占用的场地小,施工时不影响房屋正常使用。下料切割方便,具有良好的可操作性,不需大型施工机械和重型设备,在施工过程中不用螺栓、铆钉临时固定,简化了施工操作。

6.施工质量易于保证。碳纤维材料是柔性的,在粘贴施工中可以达到百分之百的有效粘贴率,如果发现有气泡也可以采取注射树脂的方法加以补救。

二、碳纤维加固技术概述

碳纤维加固技术是一种新型的结构加固技术,它是利用树脂类粘结材料将碳纤维材料粘贴于混凝土表面,以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料具有极高的抗拉强度和弹性模量,其抗拉强度可达4500 MPa以上,形成复合材料后可达3500MPa以上,是普通钢筋抗拉强度的10倍以上。碳纤维材料的主要形式有片材、棒材、型材和短纤维等。当前工程加固主要使用碳纤维片材:碳纤维布和板材。碳纤维没有类似钢筋的屈服点,在达到抗拉强度之前基本上为弹性状态,其抗拉强度标准值不小于3000 MPa,弹性模量不小于2.1×105MPa,延伸率不小于1.5%。碳纤维片材加固混凝土结构技术是利用碳纤维极强的抗拉性能,用专用粘接剂,将碳纤维布或板粘贴在构件的表面,改善构件的受力和变形性能。

三、工艺流程及施工方法

1.工艺流程。混凝土表面处理一涂底层树脂一找平一涂刷浸渍树脂或粘贴树脂—粘贴碳纤维布一固化—表面养护防护。

2.施工方法。

(1)混凝土表面处理。混凝土表面出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。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,尤其是表面的凸起部位要磨平。将混凝土表面清理干净,并保持干燥。

(2)涂底层树脂。配置底层树脂,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。

(3)找平。待底层处理树脂固化后即可转入下道工序,配置并涂刷找平树脂,修补拼缝及表面缺损,使混凝土表面平整。如果混凝土表面凹凸不平较严重时,可将无灰尘的干砂子混入修平树脂中,使混凝土表面基本平整,然后用找平树脂抹平表面,转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成R≥2.0mm的圆弧状。

(4)涂刷浸溃树脂(粘贴树脂)。配置浸渍树脂并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。

(5)粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布之前,按加固部位放线定位。确定所粘贴部位无误后铺贴单层碳纤维布,然后用滚子沿纤维方向重复滚压,挤出气泡,并使浸润树脂浸透纤维布。再在碳纤维表面均匀涂刷一遍浸润树脂,并用滚子重复滚压压实。待碳纤维布上的浸润树脂基本凝胶后,均匀刷一层表面处理树脂。多层粘贴(层数不宜超过五层,否则将导致混凝土结构的脆性破坏)应重复上述步骤,待碳纤维布表面指触干燥后方可进行下一层的粘贴。最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸溃树脂www.tmgc8.com

(6)固化。按凝结剂厂家说明书要求,保证足够的固化条件和时间,通常固化温度25℃左右,3d即可负载使用。若固化温度5℃左右,5d可负载使用。

(7)表面养护防护。粘贴后碳纤维布需在规定温度下养护48h。为了防止加固后的混凝土构件表面受损,提高耐久性必须进行外部防护,一般可抹水泥砂浆等措施,有防火要求时可在表面刷防火涂料。
四、质量控制要点及难点

1.材料选择:主要是碳纤维布和树脂的选择。要求碳纤维布抗拉强度不小于3000 MPa,厚度为0.167mm,弹性模置不小于2,1×105MPa的300 g碳纤维布,正拉粘结强度不小于2.5 MPa的底层树脂,不平整修补材料正拉强度不小于2.5 MPa,弹性模量不小于1500 MPa,伸长率不小于1.5%的浸渍树脂和粘结树脂。加固修复用材料应具有产品合格证和质检部门的产品性能检测报告,碳纤维片材及配套树脂类粘结材料应具有符合规范规定的物理力学性能指标,配套树脂类粘结材料还应提供耐久性能指标及施工和使用环境要求。

2.基层处理:主要控制混凝土表面平整度,要打磨至露出坚实结构面。

3.结质量:控制搭接长度和空鼓面积。

五、注意事项

1.一般要求。当碳纤维布沿其纤维方向需绕构件转角处粘贴时,转角处构件外表面的曲率半径应不小于20mm。碳纤维布沿纤维受力方向的搭接长度应不小于100mm。当采用多条或多层碳纤维布加固时,各条或各层之间的搭接位置应相互错开。为保证碳纤维可靠地与混凝土共同工作,必要时应采取附加锚固措施。

2.施工安全及注意事项。碳纤维片材为导电材料,使用碳纤维片材时应尽量远离电气设备及电源。使用中应避免碳纤维片材的弯折。碳纤维片材配套树脂的原料应密封储存。远离火源,避免阳光直接照射。树脂的配制和使用场所,应保持通风良好。现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。

3.质量检查。用小锤轻敲,总有效粘结面积不应低于95%,当空鼓面积不超过10000mm时,可采用针管注胶进行修补;当空鼓面积超过10000mm时,宜将空鼓处片材切除,重新搭接等量的碳纤维片材,搭接长度不小于100mm。

六、结语

近年来,碳纤维加固技术广泛应用于工业民用建筑中的钢筋混凝土梁、板、柱及剪力墙结构,其产品性能优异,操作简单,安全可靠,与传统方法相比较,有更大的经济效益、社会效益和环境效益。碳纤维加固混凝土结构技术是将高科技复合材料成功运用于土木工程领域的—个典范,是值得推广的加固技术,随着建筑技术的不断进步,碳纤维技术应有着广泛的发展前景。

参考文献

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