碳纖維加固混凝土結構的應用

吳計紅

采用碳纖維材料(CFRP)加固混凝土結構技術是一種新型、簡便、高效的混凝土結構加固技術,它是將具有高抗拉強度、高彈性模量的碳纖維材料利用高性能的環氧樹脂類粘結膠粘貼在混凝土結構的表面,使碳纖維材料與原混凝土結構形成整體,從而增強混凝土結構的承載能力。

1 材料性能

碳纖維加固混凝土結構所用材料主要為碳纖維材料與粘貼用各種環氧樹脂膠。

1.1 碳纖維材料的力學性能

碳纖維材料的力學性能見表 1。

表1 碳纖維材料的力學性能

1.2 底層涂料的性能

底層涂料的性能見表2。

表2 底層涂料的性能 MPa

1.3 碳纖維粘浸膠的性能

碳纖維粘浸膠的性能見表3。

表3 碳纖維粘浸膠的性能

1.4 灌縫膠的性能

灌縫膠的性能見表 4。

表4 灌縫膠的性能 MPa

1.5 砂漿的性能

砂漿的性能見表 5。

表5 砂漿的性能 MPa

2 加固機理

將具有高抗拉強度的碳纖維材料利用高性能的環氧樹脂類粘結膠通過正確的施工工藝粘結在混凝土結構的表面,使碳纖維材料與原結構形成整體,從而增強結構的承載能力和剛度。

3 粘貼碳纖維的施工工藝

3.1 測量放線

按照施工圖放出需要粘貼碳纖維的部位、間距,并做好標記。

3.2 結構卸荷

在加固施工前,盡可能卸去所要加固結構上的荷載,使碳纖維粘貼施工時結構承受的荷載作用減小到最小程度。

3.3 混凝土表面處理

1)混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化層的部位必須用砂輪機、角磨機去除,并達到結構的密實部位,然后用吹風機、毛刷將待補強部位的粉塵清掃、吹除干凈。對模板接頭等出現高度差的部位用環氧樹脂填補平順。

2)裂縫若有漏水情形時,先做好止水、導水處理。

3)進行裂縫處理,寬度小于 0.2mm的裂縫,用注射法注射環氧樹脂進行灌縫處理;大于 0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫或環氧樹脂砂漿進行處理;對于寬度大于 1mm的裂縫采用微膨脹水泥砂漿修補。賽魚橋加固工程中橋梁的微彎板、小橫梁大部分都有寬度不同的裂縫,最大裂縫達到 1.0mm,為此我們對所加固的微彎板和小橫梁首先進行了封閉壓力灌膠和微膨脹水泥砂漿處理。

4)檢查結構是否有鋼筋外露,是否銹蝕。如有銹蝕,需進行除銹、防銹處理后,再用強度相等或大于混凝土強度的CGM灌漿料或環氧樹脂砂漿材料進行修補。

5)在處理完裂縫、露筋后,再次用混凝土角磨機、砂紙等機具將結構基面的混凝土打磨平整,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凸角圓弧狀(R≥20mm,R為曲率半徑),凹角則以樹脂砂漿填補成光滑的圓弧。對于較大面積的劣質層在鑿除后用環氧樹脂砂漿材料進行修補。

6)結構表面打磨后,用吹風機將表面灰塵和雜物清理干凈,用丙酮或工業酒精清洗干凈后,使表面充分干燥。

3.4 涂底膠

1)用彈簧秤把底層涂料的主劑和固化劑按規定比例稱量準確后放于容器中,用電動攪拌器攪拌均勻,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。

3)底層涂料指觸干燥或固化后,表面上的凸起部分(一般類似結露的露珠一樣)要用砂布或角磨機磨平。

3.5 粘貼

1)按設計尺寸裁剪碳纖維布,除非特殊要求,碳纖維布長度在 3m之內。

2)調配、攪拌粘貼材料膠(使用方法與底膠相同),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。

3)粘貼碳纖維前用滾筒刷均勻地涂抹粘貼用環氧樹脂。粘貼碳纖維時,按照設計方向將碳纖維材料粘貼在結構上,用特制滾子反復沿纖維方向滾壓,使碳纖維材料和樹脂之間不再有空氣,樹脂膠充分浸透碳纖維材料并去除氣泡,脫泡作業后,須確認纖維材料無褶皺、無歪斜。

4)碳纖維粘貼后放置 30m in,用滾筒刷均勻涂抹粘貼用環氧樹脂,同時對碳纖維有浮出或脫線情形時,進行壓平修正。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。

5)一般碳纖維不搭接,若確需搭接時,其搭接部位避開構件應力最大區段,搭接長度不小于100mm,該部位應多涂樹脂,且搭接端部應平整無翹曲,去除氣泡、脫泡操作按正常進行。粘貼后碳纖維的端部采用橫向碳纖維進行固定。若碳纖維布需多層搭接,則各層接口位置不應在同一面,其接口位置的相互凈距一般應大于 200mm。

6)最后一層碳纖維的上涂必須涂刷均勻且周邊整齊。

3.6 檢查及保護

1)碳纖維粘貼施工后,應進行養護,保證 24 h內防止受潮,防止硬物碰傷表面。養護期間的溫度不低于環氧樹脂的允許使用溫度(5℃)。養護期在 1周～2周內。2)用小錘輕擊或手壓碳纖維材料表面,檢查是否有空鼓。如無空鼓或只有少量小空鼓(＜3 cm)便視為合格;對于較大的空鼓(≥3 cm)或較多的小空鼓應進行灌入樹脂膠處理或者重新搭接粘貼等量的碳纖維材料,搭接粘貼碳纖維材料施工時的搭接長度不小于 100mm。3)加固后的碳纖維表面應采取抹水泥砂漿或噴防火涂料進行保護。

4 質量控制要點

1)施工溫度:由于環氧樹脂在低溫下固化過程比較緩慢,涂層不易均勻,因此施工溫度保證在 5℃～35℃之間,相對濕度不大于 85%的環境下進行施工。如混凝土表面含水率在 85%以上、有結露的可能時,必須采取有效措施方可施工。

2)保持成型所需要的壓力:粘結碳纖維加固補強時,在梁(板)的底面進行,為避免碳纖維補強層下墜,與混凝土之間的粘合不緊密,影響加固補強的效果,可以在粘貼范圍內設置碳纖維材料U形箍錨固。U形箍應在粘貼范圍內均勻布置,而且一般在端部需設置一道,U形箍的粘貼高度宜伸至板底面,每道 U形箍的寬度與厚度均不宜小于受彎加固碳纖維布寬度的一半。

3)空鼓處理:粘貼碳纖維時樹脂膠涂刷必須均勻,并用力刮平,將氣泡擠出來,以免形成空鼓和脫膠,影響加固效果。若檢查發現粘貼出現了空鼓現象,可采取灌入環氧樹脂膠法、割刀切入填充樹脂修補法、補丁修補法(搭接長度不小于 100mm)等措施予以彌補。

5 結語

1)粘貼碳纖維加固施工方便,工效較高,不需模板和支撐,施工占地少,經濟效益高。粘貼碳纖維加固修補后,能有效提高混凝土結構的有效承載力,但不增加原結構自重和尺寸。

2)粘貼碳纖維適用于工業、民用建筑、橋梁、水利等工程建筑中,因設計、施工質量、維護、功能改變等原因造成結構的強度和剛度下降而需要對其進行加固的混凝土結構。

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