碳纖維具有元素碳的各種優良性能﹐如比重小﹑耐熱性極好﹑熱膨脹系數小﹑導熱系數大﹑耐腐蝕性和導電性良好等,同時﹐它又具有纖維般的柔曲性﹐可進行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優良的性能是比強度和比模量超過一般的增強纖維。碳纖維布加固補強混凝土結構的應用研究始于20世紀80年代美國、日本等發達國家,進入20世紀90年代中后期我國的許多科研機構和企業也相繼進行了這方面的試驗研究。目前,碳纖維布加固混凝土結構技術在我國的許多地區的橋梁和工民建工程中得到了廣泛的應用。

一、特點

1. 高強高效、高彈性模量,其抗拉強度比普通鋼材高8 ～10倍,將它用粘結樹脂與結構粘貼后形成一體,能可靠地與鋼筋混凝土共同工作,有優異的補強效果,且適用面廣、質量易保證。

2. 施工便捷,工效高,沒有濕作業,不需現場固定設施,能適應各種結構外形的補強而不改變構件外形尺寸,可多層粘貼,并能有效地封閉混凝土的裂縫,施工占用場地少。而采用傳統的加固補強方法,如包混凝土法、粘鋼法,均需進行大量剔鑿、植筋、焊接、澆混凝土作業,碳纖維布施工卻不需要。因此,它對施工空間要求很低,便于狹窄空間作業,對生產、使用的干擾很小。

3. 耐腐蝕及耐久性能極佳。碳纖維能有效地防護構件的混凝土和鋼筋免職受酸、堿、鹽、水等介質的腐蝕。碳纖維與膠結構本身及經其補強的構件可以長期承受紫外線、核幅射;長期在- 54 ～80℃下使用,強度不會降低;經加速暴露老化試驗驗證可歷時40 年性能不變;且在表面涂裝后,耐用性更加突出。

4. 加固修補后,基本不增加原結構自重,能保持結構原狀,外形美觀,同時原構件尺寸不會有太大的變化。粘貼后表面可以涂刷、粘貼飾面材料、防火材料。

二、加固原因及適用范圍

1. 加固原因。①由于意外事故而導致結構或構件的承載能力而需補強加固的; ②由于混凝土強度或配筋不足而需補強加固的; ③由于結構或構件達到或接近使用年限而需加固的; ④有一部分建筑是未進行抗震設防的,滿足不了《建筑抗震鑒定標準》GB50023 - 95要求,需進行抗震加固。

2. 適用范圍。①適用于各種結構類型、各種結構部位的加固補強,如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構。②基層混凝土的強度等級不低于C15。

三、工藝原理

加固機理是沿受力方向或垂直于裂縫方向將碳纖維布采用高性能的環氧類粘結劑粘結于在受損的混凝土結構的表面,粘結劑作為它們之間的剪力連接媒介,使之形成整體,使碳纖維布與原有鋼筋共同工作,利用碳纖維材料良好的抗拉強度達到增強構件承載能力及剛度的目的。形成的新的復合體,能有效地提高強度、剛度、抗裂性和延性。

四、碳纖維布的技術性能

碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1 /4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7 ～9倍,抗拉彈性模量為23000～43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa / ( g/ cm3 )以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa / ( g/ cm3 )左右,其比模量也比鋼高。

五、碳纖維布加固混凝土結構施工方法

1. 工藝流程及操作要求。

工藝流程為卸荷→基底處理→涂底膠→找平(用環氧膩子進行殘缺修補) →粘貼→保護(涂裝等) →完工驗收。考慮被加固工程特殊施工環境因素,加固中應進行卸荷。加固前先將板面粉刷層及板面雜物清除。加固施工中,應先鑿開保護層直至結構層基面,方可進行下一步處理。

2. 施工準備。為保證施工質量,工程應由具備資質的專業加固公司進行施工,開工前應對每個施工環節、環境因素、人員素質進行周密考慮和安排,對施工現場進行清理。

3. 主要施工方法。

3. 1卸荷。加固前應對所加固的構件盡可能卸荷。使碳纖維粘貼施工時結構或構件承受的荷載作用減小到最小程度。

3. 2基底處理。

(1)混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除,清理干凈,達到結構密實部位,使其表面平整。對于較大面積經剔鑿、清除和露筋的構件殘缺部分或劣質層在鑿除后應用環氧砂漿進行修復,達到表面平整。

(2)裂縫部位應首先進行封閉處理。寬度小于0. 2mm的裂縫,用環氧樹脂進行表面涂抹封閉;大于0. 2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫。對于一些存在寬度較大的裂縫(最大裂縫達到1mm以上)的部位,應首先對所加固的構件裂縫進行了壓力灌膠處理。

(3)檢查外露鋼筋是否銹蝕。如有銹蝕,需進行必要處理。

(4)用混凝土角磨機、砂紙等機具除去混凝土表面的浮漿、油污等雜質,構件基面的混凝土要打磨平整,修復后的接槎要盡量平順,尤其是表面的凸起部位要磨平,轉角粘貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀(R≥20mm) 。

(5)結構或構件表面打磨后,用吹風機將表面灰塵和雜物清理掉,或用水及酒精清洗,并使表面充分干燥。

3. 3涂底膠( FP膠) 。①按主劑∶固化劑= 2∶1 的比例將主劑與固化劑按規定比例用彈簧秤稱量準確后先后置于容器中,電動攪拌器均勻攪拌,根據現場實際氣溫決定用量并嚴格控制使用時間。一般情況下1h內用完。②用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面,待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定,以指觸干燥為準)再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d)

3. 4找平。①混凝土表面凹陷部位應用環氧膩子填平,模板接頭等出現高度差的部位應用環氧膩子填補,盡量減小高度差。②轉角處也應用環氧膩子修補成光滑的圓弧,半徑不小于20mm。膩子涂刮后,表面仍存在的凹凸糙紋,應再用砂紙打磨平整。

3. 5粘貼。

(1)按設計要求的尺寸及層數裁剪碳纖維布,除非特殊要求,碳纖維布長度一般應在3m之內。

(2)調配、攪拌粘貼材料FR膠(使用方法與底膠FP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。嚴禁出現漏刷現象,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誤后剝去離型紙,用特制滾子反復沿纖維方向滾壓,去除氣泡,并使FR 膠充分浸透碳纖維布。多層粘貼應重復上述步驟,待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的粘貼。

(4)在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹FR膠。

(5)碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得小于100mm,該部位應多涂樹脂。碳纖維端部固定用橫向碳纖維或粘鋼固定。

3. 6保護。加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

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