某建筑碳纤维加固施工方案

碳纤维加固施工及质量控制[摘要]：碳纤维具有强度高、自重轻、施工方便、快捷、应用广泛等优良性能，因而利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。本文以某加固工程为例介绍了碳纤维复合材料在因功能改变引起荷载变化的构件加固中施工工艺。[关键字]：碳纤维材料混凝土结构加固技术1．工程概况某工程地下二层，地上十六层，总建筑面积26295m2，，标准层建筑面积1580m2现浇框架剪力墙结构，建筑功能为住宅。该工程标准层3.1m，檐口高度54.05m，设3部电梯。2．需要进行加固的背景情况该工程主体结构施工时标准层设计为每层6个户型，主体结构施工完毕后，建设单位因为市场原因，将原有的6个大户型改为18个小户型，每个户型有独立的使用功能，需要增加楼面荷载及设备、通风道等需开洞。楼面荷载的问题是将原设计采用的陶粒隔墙板改为轻质隔墙条板的方法解决。楼板开洞加固经过设计、甲方、监理及总包共同协商及比较各种加固方法的工期和造价因素，最后决定采用粘贴碳纤维布加固。3．碳纤维加固简介碳纤维布加固修补结构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布粘贴于混凝土表面，以达到对结构及构件加固补强的目的。碳纤维材料(carbonfibrereinforcedpoly-mer)用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家，我国起步很晚，近年来发展十分迅速，在航空、航天、汽车、环境工程、化工、能源、交通、建筑、电子、运动器材等众多领域得到了广泛的应用。3.1.碳纤维布结构加固技术简介粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。碳纤维增强聚合物（carbonfibrereinforcedpoly-mer简称cfrp，也称为碳纤维增强塑料）是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点：强度高（强度为普通钢材的10倍以上），效果好；加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；自重轻（约200g/m2），基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广；施工简便（不需大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；施工工期短；因此，碳纤维结构加固技术在混凝土结构方面已产生较大的效应。碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。3.2碳纤维布加固的原理用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍；但是，碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高碳纤维布的抗拉强度，故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作，因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用，它既要确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。3.3碳纤维布加固在本工程中的应用数量碳纤维布的加固主要在后开洞口周边，根据设计要求：后开洞口周边四个方向粘贴双层碳纤维布，并且伸至支座梁的位置。本工程中碳纤维覆盖面积约为890m2。4．碳纤维加固的施工4.1施工工艺工艺流程为卸荷—基底处理—涂底胶—找平—粘贴—保护。考虑本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。本工程加固施工中，应先凿开原有装饰面层直至结构层基面，方可进行下一步处理。基本施工步骤：基底处理：①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。②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，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R≥20mm）。③风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。涂底胶①按配合比主剂∶固化剂＝3:1配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中，用弹簧秤计量，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20—50mim内用完。②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6—24h。找平①混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平，模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补，尽量减小高度差。②转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧，半径不小于20mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。粘贴①按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。②调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），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，用特制工具反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分浸透碳纤维布；并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。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粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压，并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶，使之均匀。⑤碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200mm。保护加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。质量要求①每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查，并做好相关的验收记录，如出现质量问题，应立即返工。②施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面，以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象，应采用针管注粘结胶的方法进行补救。粘结面积若少于90%则判定粘结无效，需重新施工。③严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5－35℃范围内，相对湿度不大于70%。4.2.施工方案4.2.1胶粘剂的配置：①将原材料按不同配合比称量准确，分别配置底涂胶料、整平胶料及粘结胶料。先将稀释剂加入聚合物主料内搅拌均匀，再将填料加入继续搅拌至均匀，最后加入固化剂，充分搅拌后即可使用。②配置胶料时应注意以下事项：底涂胶料每次配置量以1－2公斤为宜；整平胶料每次配置量以0.5－1公斤为宜；粘结胶料每次配置量以1－2公斤为宜。③所有胶料要求于1小时内施工完毕。4.2.2基底处理①混凝土表面如出现剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予剔除，对于较大面积的劣质层，在剔除后应用聚合物水泥砂浆进行修复。②裂缝部位，如有必要应先进行封闭处理。③用混凝土角磨机、砂轮（砂纸）等工具，去除混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的凸出部位要磨平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状（R³10mm）。④用吹风机将混凝土表面清理干净并保持干燥。使用中国建科院研制生产EC高强度聚合物砂浆修补表面凹陷底部分。4.2.3涂底胶①按一定比例将主剂与固化剂先后置于容器中，用搅拌器搅拌均匀，根据现场实际气温决定用量，并严格控制使用时间。②用滚桶刷或毛刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，厚度不超过0.4mm，并不得漏刷或有流淌、气泡，等胶固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时），再进行下一道工序。4.2.4用整平胶料找平①混凝土表面凹陷部位应用刮刀嵌刮整平胶料修补填平，模板接头等出现高度差的部位应用整平胶料填补，尽量减少高差。②转角的处理，应用整平胶料将其修补为光滑的圆弧，半径不小于10mm。③整平胶料须固化后（固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时），方可再进行下一道工序。4.2.5粘贴碳纤维布①按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，除非特殊要求，碳纤维布长度应在3m以内。②配置、搅拌粘贴胶料，然后用滚筒刷均匀涂抹于所粘贴部位，在搭接、拐角部位适当多涂抹一些。③用特制光滑滚子在碳纤维布表面沿同一方向反复滚压至胶料渗出碳纤维布外表面，以去除气泡，使碳纤维布充分浸润胶料。多层粘贴应重复以上步骤，待纤维表面指触感干燥为宜，方可进行下一层碳纤维布的粘贴。④在最外一层碳纤维布的外表面均匀涂抹一层粘贴胶料。5．碳纤维加固施工的量控制5.1质量保证措施：对于砼工程，应振捣密实，面层平整，砂浆拌制严格按照设计配比，杜绝偷工减料现象发生。碳纤维粘贴工程：碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm。粘贴碳纤维布应尽量避开障碍物，如遇无法清除的障碍物而需截断时，在截断部位要予以适当处理，具体措施应视不同情况而定。碳纤维材料方面的可靠保证碳纤维片具有极佳的力学性能，是与它自身的材质属性、成片加工工艺密不可分的。目前，国产碳纤维布与进口碳纤维布之间从质量、性能及生产工艺上，都存在着较大的差异，具体表现为：①材料的匀质性：碳纤维束只有分布排列均匀，加工成片后才能起到整体均匀受力的作用；若才只得匀质性不好，则构件受力后导致纤维片局部受力不均，使碳纤维补强的效果不能充分发挥出来。因此，材料的匀质性问题，是目前国产碳纤维片提高质量所待解决的关键性问题。②碳纤维片中预浸树脂的含量：我们用于结构补强的碳纤维片是含有预浸树脂的。其作用是使纤维之间相互约束、相互粘结成为共同受力的整体，但其含量过多、浸渍过厚，却无益于修复、补强。因为碳纤维补强混凝土结构是靠上涂及下涂环氧树脂对碳纤维片的反复渗透来完成的。如果纤维片中预浸树脂的含量过多，则粘贴碳纤维片时树脂的渗透效果就比较差，直接影响施工质量。目前国产材料在控制低预浸树脂含量方面与国外产品相比仍有较大差距。③碳纤维的段丝率：由于纤维丝很细，只有7μm，极易出现段丝。因此，尽可能地减少纤维丝的断裂，确保纤维片的连续性与整体性，是确保最终补强效果的一个重要参数。这也是国产材料需要解决的一个大问题。国产原丝的杂质多，是导致碳纤维强度不高的主要原因之一（见下表）。国内外碳纤维中金属杂质含量比较（引自[高科技纤维与应用]杂志2005年第3期）（单位：10－6）生产厂家NaKCaMgFe小计日本T30010-151-151021-524-27日本T80010.13.518.53.4/35.5国内甲厂1426241153128国内乙厂952210517101340（注：T300为文献值，其它为实测值）为确保碳纤维片修复补强混凝土结构的质量，本公司使用的碳纤维片是性能质量优异的产品。5.2安全施工及场容：裁剪及使用碳纤维布时应尽量远离电源，尤其是高压电线及输电线路。碳纤维布的配套用胶要远离火源，避免阳光直接照射。现场施工人员应穿工作服，同时还须佩戴口罩和手套，施工人员严禁在现场吸烟。配置及使用胶的场所必须保持良好的通风。施工所用砂、石子、水泥等材料堆码整齐，施工完毕后，将施工所产生的垃圾及时清运出现场，作到工完场清。6．碳纤维加固的验收6.1工程验收时必须有碳纤维及其配套胶料厂家所提供的材料检验证明。目前，国内外碳纤维材料及配套结构胶的生产厂家有多家，选购前应认真了解材料的相关技术指标及操作说明，本工程所用的各材料指标如表1～表3。抗拉强度（mpaa）弹性模量（mpaa）延伸率（%）密度（g/cm3）耐腐蚀性浸透性均匀度50002.35×10552.11.8优良好良好表1结构加固修补用碳纤维材料（cfrp-t700s）主要性能指标表2碳纤维织物数据单位面积重量(gg/m2)径向纤维纬向纤维径向密度根/cm纬向密度根/cm220碳纤维尼龙线2.651.6径向重量比例%纬向重量比例%碳布宽度(mm)积层厚度(mm)积层厚度为加入树树脂后其纤维维体积含量为为50%时的厚度9916100.2表3建筑结构胶主要技术性能指标结构胶名称jgn-cjgn-p作用粘贴碳纤维专用胶胶与jgn-c配套使使用的底胶外观甲组分白色蜡状膏体无色透明液体乙组分棕色液体棕红色液体粘接拉伸强度（mmpa）＞30.0粘接强度(混凝土土-混凝土)混凝土破坏拉伸剪切强度（mmpa）＞20.0/压缩强度（mpaa）＞50.0/弯曲强度（mpaa）＞30.0/混合黏度（20℃℃时）＜5000cp(不不流挂)/涂布量0.6～1.0kkg/m20.25～0.33kg/m2适用期（20℃时时）＞90min可使用时间20～40min硬化时间（20℃℃时）＜3.0h指干时间（20℃℃时）2h甲:乙=3:1甲:乙=3:1使用温度10～35℃/6.2每一道工序结束后均应按工艺要求进行检验，作好相关的验收记、施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主，用小锤等工