碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)用
2006-04-26 00:00
摘要： 碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種適用、經(jīng)濟(jì)、新型的結(jié)構(gòu)加固法。該法與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)相比，以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性強(qiáng)、施工便捷、對結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)加固改造工程中。
關(guān)鍵詞：碳纖維片材；加固技術(shù)；施工
中圖分類號：TU528．572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000—4637(2005)05—40—02
O 前言
碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon Fiber ReinforcedPloymer，簡稱CFRP)是一種新興的高強(qiáng)材料，近年來在建筑工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法相比，碳纖維加固技術(shù)是一種新型高效的加固修復(fù)技術(shù)，它具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點。其中，碳纖維片材加固修復(fù)技術(shù)工法主要采用“三步法”，即分別用底層樹脂、找平材料和浸漬樹脂的雙組份樹脂粘結(jié)材料，將碳纖維片材粘貼在結(jié)構(gòu)構(gòu)件外表面，以達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。目前除了在混凝土中應(yīng)用以外，正逐漸推廣到砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，甚至木結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)之中。
1 碳纖維片材加固特點
在混凝土結(jié)構(gòu)工程的加固技術(shù)中，碳纖維片材加固與電化學(xué)加固技術(shù)、粘鋼加固技術(shù)相比，具有以下特點。
1．1 與電化學(xué)加固技術(shù)相比
(1)在混凝土結(jié)構(gòu)工程加固中，碳纖維片材可以敷設(shè)粘貼于結(jié)構(gòu)需要部位，不改變結(jié)構(gòu)形狀，不影響結(jié)構(gòu)外觀。尤其是對于海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，處于浪涌區(qū)的梁、板、肋、柱的底面、側(cè)面。而陰極保護(hù)系統(tǒng)對于構(gòu)件底、側(cè)以及特種結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計有難度，有時難以實現(xiàn)。
(2)電化學(xué)加固方法中陰極保護(hù)系統(tǒng)要增加原結(jié)構(gòu)自重；而碳纖維片材加固基本不增加結(jié)構(gòu)永久荷載或增加很少，碳纖維片材粘貼后， 每m 重量不到1．0kg，粘貼一層的厚度僅為lmm，加固修補(bǔ)后，基本不增加現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的自重及尺寸。
(3)電化學(xué)加固方法無法對加固效果進(jìn)行可靠評估；碳纖維片材加固可以按照混凝土結(jié)構(gòu)計算方法進(jìn)行加固設(shè)計計算，從而使加固效果得以保證，對結(jié)構(gòu)加固后使用期限及可靠度的計算成為可能。
1.2與粘鋼加固技術(shù)相比
(1)粘鋼加固技術(shù)操作復(fù)雜；碳纖維片材加固施工便捷、高效、具有良好的可操作性，加固施工時無需螺栓、鉚釘固定，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)擾動小，不會影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的整體性，施工質(zhì)量易于保證。
(2)粘鋼加固技術(shù)不能用于含鹽的土壤環(huán)境、海洋環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)侵蝕的環(huán)境，因此在地下結(jié)構(gòu)、給排水結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)、港工結(jié)構(gòu)、化工車間等的易銹蝕工程的加固中受到限制。而調(diào)查表明，這幾類結(jié)構(gòu)物正是出現(xiàn)銹脹破壞最為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)。碳纖維片材加固技術(shù)恰能適應(yīng)這幾類結(jié)構(gòu)物的加固。
2 加固方案設(shè)計依據(jù)
本地區(qū)某百貨商場一期改造工程中，經(jīng)過現(xiàn)場勘察和設(shè)計計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)第1層、第2層及第5層由于使用功能的改變，局部梁抗彎承載力無法滿足使用要求，經(jīng)方案比較，采用梁底長度方向粘貼碳纖維片材，梁端附加碳纖維片材制成U字箍，既對梁底碳纖維片材有較好的錨固作用，也提高了梁端部的抗剪承載力。其加固設(shè)計依據(jù)為：
(1)沿構(gòu)件主軸方向粘貼碳纖維片材，以提高構(gòu)件正截面的抗彎能力。
(2)沿與構(gòu)件主軸垂直方向粘貼碳纖維，由碳纖維與原有箍筋共同分擔(dān)剪力以提高構(gòu)件的抗剪承載力。
(3)沿與構(gòu)件主軸垂直方向粘貼碳纖維，以改善加固部位的延性，提高其抗震性能。目前在國內(nèi)工程中應(yīng)用最多的是第一種方式，即加固修復(fù)提高梁板正截面承載能力，使之滿足使用功
能要求。
3 碳纖維復(fù)合材料的選擇
加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)所用碳纖維材料主要有兩種：碳纖維與配套樹脂粘結(jié)劑。碳纖維是高強(qiáng)高彈性模量材料，抗拉強(qiáng)度是鋼材的十幾倍。建筑粘結(jié)劑種類繁多，選擇與某種碳纖維片材相容性好的粘結(jié)劑是關(guān)鍵。樹脂粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于混凝土的拉伸剪切強(qiáng)度，且具有適宜的工作粘度，以便于施工操作。與碳纖維相配套的樹脂粘結(jié)劑一般由4部分組成。即底層粘結(jié)劑、找平材料、浸漬樹脂和防護(hù)材料。
(1)底層粘結(jié)劑必須能滲透進(jìn)混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長期持久界面的基礎(chǔ)。
(2)找平材料用來修補(bǔ)結(jié)構(gòu)表面的平整度，以便使用片材。
(3)浸漬樹脂用以浸漬碳纖維片材在混凝土表面形成原位層板。
(4)防護(hù)材料用以保護(hù)碳纖維片材免受外界條件的影響，延長其使用壽命。
經(jīng)過多方分析比較及其它一些試驗，采用的碳纖維材料和粘結(jié)劑的性能如表1、表2所示。
4 施工工藝
4．1 碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝流程
混凝土結(jié)構(gòu)表面處理一配制并涂刷底層粘結(jié)劑一面層找平處理一粘貼樹脂的配制并浸潤碳纖維一粘貼碳纖維片材一表面防護(hù)。
4．2 施工要點
(1)混凝土表面的處理程度直接影響加固效果。表面要打磨平整直到露出新面，涂底層粘結(jié)劑前，再用丙酮清洗一遍。
(2)碳纖維片材一定要用粘貼樹脂浸透，盡可能讓粘結(jié)劑充分滲入碳纖維單絲之間的空隙中，提高各單絲之間的共同工作性能。
(3)浸潤后的碳纖維片材用手輕壓貼于需要的位置，用橡皮滾筒順纖維方向均勻平衡壓實，使樹脂從兩邊溢出，保證碳纖維片材與結(jié)構(gòu)之間密實無空洞，或者保證有效粘貼面積不小于95%。
(4)碳纖維片材沿其纖維方向折直角會導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響其強(qiáng)度發(fā)揮。施工時將角部磨成圓角，可減少應(yīng)力集中，碳纖維片材的強(qiáng)度基本不受影響。
5 施工概況
5．1 施工質(zhì)量易保證
碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的施工操作方便，在正常施工條件下碳纖維片材的有效粘結(jié)面積基本可以達(dá)到100%，且現(xiàn)場檢測方便，即使有小的空鼓，也可以用針管注膠法補(bǔ)救，施工質(zhì)量可以得到有效保證。
5.2 施工干擾小
在較小的空間中即可實施碳纖維片材加固結(jié)構(gòu)的施工， 除了混凝土表面處理時的灰塵需要控制以外，對一般結(jié)構(gòu)物的正常使用幾乎無任何干擾。在對橋梁、道路進(jìn)行碳纖維片材加固施工時，可以不中斷交通。
5．3 施工周期短
碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)不需要大型機(jī)具、設(shè)備，在保證施工質(zhì)量和無意外干擾的前提下，同樣條件下所需時間不足目前國內(nèi)大量應(yīng)用的粘鋼板方法所需時間的1／2。在施工組織較好的情況下，10個工日可以完成lO00m2 的工作量。成品的碳纖維片材是一種織物，其幅寬可以為20cm、30cm、50cm不等，長度為50-lOOm，卷狀包裝，現(xiàn)場使用時可以根據(jù)需要用剪刀或刀片將其任意裁剪，不象裁鋼板一樣需要專門的切割工具。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，同為粘貼加固工法，粘貼碳纖維片材是粘貼鋼板施工工效的4-8倍。
6 結(jié)論
(1)碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期很短，效率高、材料由人工在現(xiàn)場加工；沒有大中型設(shè)備的損耗；檢測方便、快捷，同時在較小的空間即可進(jìn)行施工，基本不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，施工便捷，工期短，對各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外形大都可以使用該方法加固，同時由于材料自重較輕，加固后基本不增加結(jié)構(gòu)自重，不改變結(jié)構(gòu)外觀尺寸和形狀，與其它加固方法相比，節(jié)省了大量的機(jī)械臺班費、人工費和檢測費。
(2)運用該技術(shù)施工時對環(huán)境的干擾影響很小，符合現(xiàn)代工程建設(shè)對施工技術(shù)的要求，有利于環(huán)境保護(hù)，從長遠(yuǎn)看，該技術(shù)將在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。
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