近年来,结构修复、补强技术广泛应用于桥梁、隧道以及工业民用建筑中的钢筋砼梁、板、柱及剪力墙结构。特别是采用碳纤维修复补强技术时更获得具大成功,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。某工程框架柱的加固补强,采用该项技术,取得了良好效果。
一、特点
1、碳纤维片材轻质高强:其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,能可靠地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。
2、抗腐蚀:碳纤维能有效地防护构件的混凝土和钢筋免职受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。
3、耐老化: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、核幅射;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: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,贴片后表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。
5、施工简便、快捷:采用传统的加固补强方法,如包混凝土法、粘钢法,均需进行大量剔凿、植筋、焊接、浇混凝土作业,碳纤维片材施工却不需要。因此,它对施工空间要求很低,便于狭窄空间作业,施工快捷,对生产、使用的干扰很小。
二、工艺原理
碳纤维片材是用抗拉强度极高的碳纤维丝“拉拔”成型,单向排列,并经环氧树脂预浸而成的结构增强复合材料。将它用粘结树脂作为粘结剂,沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件表面,粘结剂作为它们之间的剪力连接媒介,形成新的复合体。使增强贴片与原有钢筋共同受力,增大了结构抗拉或抗剪能力,能有效地提高强度、刚度、抗裂性和延性。整个工艺的关键在于碳纤维片材粘结的紧密、牢固,保证与原结构形成整体,能够共同工作。
三、适用范围
碳纤维片材修复、补强、加固适用于隧道、桥梁及各类工业民用建筑
中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙结构、涵洞、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、水池、罐体等,由于设计、施工、使用、老化或某种浸蚀、灾害造成的损坏,以及因超载所致的承载力不足。
四、主要材料
1、碳纤维片材的规格及性能(表略)。
2、底层涂料的规格及性能(表略)。
3、环氧腻子的规格及性能(表略)。
4、浸渍树脂的规格及性能(表略)。
五、主要工、机具
1、画线工具:墨斗、卷尺、水平议、铅锤;
2、切削工具:角向砂轮、锤子、凿子、钻、錾子;
3、碳纤维片切割工具:卷尺、钢直尺、壁纸刀;
4、调和涂刷工具:台秤、搅拌容器、橡胶抹子、滚筒刷子、油漆刷、搅拌器、托灰板;
5、工具:罗拉(专用工具)、橡胶刮板、塑料刮板;
6、安全用具:安全帽、安全带、防护眼镜、橡胶手套、口罩;
7、施工管理用器具:R量尺、温湿度计;
8、其它:空压机、通风设备、养护复合材料、棉纱。
六、施工工艺
1.工艺流程
2.操作要点
2.1混凝土基底处理
2.1.1将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净达到结构密实部位。
2.1.2检查外露钢筋是否锈蚀,如有锈蚀,进行必要处理。
2.1对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分,进行修补、复原。
2.1.4裂缝修补:缝宽小于0.20mm的裂缝,用环氧树脂进行表面涂抹封闭;大于0.20mm的裂缝用环氧树脂灌缝。
2.1.5将构件表面凸出部分(混凝土构件交接部位、模板的段差)打磨平整,修复后的段差要尽量平顺。
2.1.6棱角部位,用磨光机磨圆角,圆角半径≥30mm。
2.1.7对清洗过的混凝土构件进行围挡,并让其充分干燥。
2.2刷底层涂料
2.2.1把底层涂料的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器,用搅拌器搅拌均匀,一次调和量应以要使用时间内用完为准。
2.2.2在底层涂料中严禁加溶剂,含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用。
2.2.3用滚筒刷均匀地涂抹底层涂料。
2.2.4涂料指触时间因气温不同,一般在3h到24h之间变化。
2.2.5底层涂料固化后,在表面上有凸起部分时,要用砂纸磨光。
2.2.6根据施工部位的温度、湿度选择适当的底层涂料,在气温底于5℃,相对湿度RH>85%,混凝土表面含水率>8%,有结露可能而无有效措施时,不得施工。
2.3构件表面的残缺修补
2.3.1构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平,修复至表面平整。
2.3.2接槎部位要用环氧腻子填补,使之平顺。在残缺修补中使用环氧树脂时,要在气温5℃以上,相对湿度RH<85%的条件下施工。腻子刮平后,表面仍存在的凹凸糙纹,应再用砂纸打磨平整。
2.4贴碳纤维片材
2.4.1确认粘贴表面干燥.气温在5℃以下,相对湿度RH>85%时不得施工。
2.4.2碳纤维应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸进行切断,每段长度一般不超过6m为宜,若要使用更长的片材时,除精心防止弯折外,对脱泡、渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏,片材的裁切数量应按当天的使用量为准。
2.4.3碳纤维的纵向接头必须搭接10cm以上,且该部位应多涂粘结树脂,碳纤维横向不需要搭接。
2.4.4粘结树脂的主剂与固化剂应按规定的比例称量准确,装入容器,用搅拌器搅拌均匀,一次调和量应以在可使用时间内和完为准。
2.4.5贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂,称为下涂,下涂的涂量标准如下:
200g/m2的碳纤维片,400~500g/m2
300g/m2的碳纤维片,500~600g/m2
2.4.6贴片时,在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气,可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次,使树脂渗浸入碳纤维中。
2.4.7碳纤维片施工30min后,用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂,称为上涂,上涂涂量标准如下:
200g/m2的碳纤维片,200~100g/m2
300g/m2的碳纤维片,300~200g/m2
2.4.8进行空鼓检查,并进行处理。
2.4.9如需粘贴多层碳纤维,重复以上步骤。
2.4.10.如碳纤维片施工不符合质量标准,则需进行相应处理。其中空鼓处理方法如下:
注入粘结树脂法:在大纤维片上打开两个以上的小孔,使用注射器注入粘结树脂(或低粘度型树脂)。
割刀切入填充树脂补修法:沿纤维方向切入2~3刀,用橡胶刮板、毛刷沾上适量树脂,填进割开的缝内。
补丁修补法:当贴片完全固化后,且无法用割刀切开或注入树脂时;或出现褶皱和松弛时,应采用此方法割去不良部分,重新粘贴碳纤维片。
2.5养护
2.5.1粘贴碳纤维片后,需自然养护24h达到初期固化,应保证固化期间不受干扰。
2.5.2在每道工序以后树脂固化之之前,宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。
2.5.3当树脂固化期间存在气温降低到5℃以下的可能时,可采用低温固化树脂,或采取有效的升温措施。
2.5.4碳纤维片材粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间:
平均气温在10℃以下时,需2周;
平均气温在10~20℃之间,需1~2周;
平均气温在20℃以上时,需1周;
在此之间应防止贴片受到硬性冲击。
2.6涂装
2.6.1若加固补强构件需要防火时,可在树脂固化后按业主要求涂刷耐火涂层。
2.6.2对加固补强构件有外观要求时,可在补强后涂刷所需色彩和质量的涂层。
2.6.3涂装应在树脂初期固化后进行,并应遵守所用涂料的相关标准和施工规定。
2.6.4对新材料新工艺的涂装,事前要做好充分研究,必要时应进行试验,确认后方可正式使用。
七施工管理与劳动组织
1施工管理
1.1项目管理:负责根据加固补强
设计文件制定施工组织设计,按计划负责人力、材料、机具和资金等准备,组织施工并对工程质量、进度、安全、物资供应、生活安排、工程的交工验收及结算全面负责。
1.2技术管理:负责为加固补强设计和技术组织措施的实现,做好技术交底、贯彻施工规程与质量标准等工作,为工序检查和隐蔽工程验收确认把关,处理施工中发生的变更和其他技术问题。
1.3作业管理:按操作工序划分作业组,分别负责加固补强的构件打磨、涂刷树脂、缺陷修补、裂缝封闭、贴片、养护等操作过程。
八质量要求
1所有进场材料,包括碳纤维片材和胶结材料,符合质量标准,并具有出厂产品合格证,符合本工程加固补强设计要求,适合现场温度、湿度条件的材料。
2碳纤维片粘贴的质量检查标准:
2.1下涂与上涂渗入碳纤维束良好。
对裂缝必须处理:缝宽<0.20mm的用环氧树脂涂抹封闭,缝宽>0.20mm用环氧树脂灌缝。
2.2碳纤维片材粘结密实。
2.3对于直径在10~30mm以下的空鼓,每平方米少于10个为合格;若每平方米在10个以上,则认为不合格,需进行修补;对于直径在30mm以下的空鼓,只要出现即认为不合格,需要进行修补。
2.4顺纤维方向搭接长度不小于10cm。各层之间的搭接部位不得位于同一条直线上,层间必须错开至少50cm。
2.5碳纤维片材规格、贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合设计规定。
3养护严格遵守自然养护的时间要求。
4涂装符合合同规定或业主要求及相应的施工验收规定。
九工程实例和效果
北京金融街某工程,建筑面积11.6万m2,由于设计变更,加层4层,使得局部框架受力不能满足设计要求,因此,对其中8根直径为1200~1300mm柱子,采用碳纤维片材进行补强加固处理,很好地满足了设计要求,并效地保证了工期和施工质量。
