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(duì)結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)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(lèi)號(hào)：TU528．572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1000—4637(2005)05—40—02
O 前言
碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon Fiber ReinforcedPloymer，簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP)是一種新興的高強(qiáng)材料，近年來(lái)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(diǎn)。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(shù)脂、找平材料和浸漬樹(shù)脂的雙組份樹(shù)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(diǎn)
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(diǎn)。
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(guān)。尤其是對(duì)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(duì)于構(gòu)件底、側(cè)以及特種結(jié)構(gòu)的施工設(shè)計(jì)有難度，有時(shí)難以實(shí)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(wú)法對(duì)加固效果進(jìn)行可靠評(píng)估；碳纖維片材加固可以按照混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)計(jì)算，從而使加固效果得以保證，對(duì)結(jié)構(gòu)加固后使用期限及可靠度的計(jì)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(shí)無(wú)需螺栓、鉚釘固定，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小，不會(huì)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(chē)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(lèi)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(lèi)結(jié)構(gòu)物的加固。
2 加固方案設(shè)計(jì)依據(jù)
本地區(qū)某百貨商場(chǎng)一期改造工程中，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和設(shè)計(jì)計(jì)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(wú)法滿(mǎn)足使用要求，經(jīng)方案比較，采用梁底長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(guó)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(mǎn)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(shù)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(lèi)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(shù)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(shù)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(shù)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(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ)。
(2)找平材料用來(lái)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)表面的平整度，以便使用片材。
(3)浸漬樹(shù)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(zhǎng)其使用壽命。
經(jīng)過(guò)多方分析比較及其它一些試驗(yàn)，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(shù)脂的配制并浸潤(rùn)碳纖維一粘貼碳纖維片材一表面防護(hù)。
4．2 施工要點(diǎn)
(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(shù)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(rùn)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(shí)，使樹(shù)脂從兩邊溢出，保證碳纖維片材與結(jié)構(gòu)之間密實(shí)無(wú)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響其強(qiáng)度發(fā)揮。施工時(shí)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(chǎng)檢測(cè)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(shí)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(shí)的灰塵需要控制以外，對(duì)一般結(jié)構(gòu)物的正常使用幾乎無(wú)任何干擾。在對(duì)橋梁、道路進(jìn)行碳纖維片材加固施工時(shí)，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(wú)意外干擾的前提下，同樣條件下所需時(shí)間不足目前國(guó)內(nèi)大量應(yīng)用的粘鋼板方法所需時(shí)間的1／2。在施工組織較好的情況下，10個(gè)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(zhǎng)度為50-lOOm，卷狀包裝，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)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(zhuān)門(mén)的切割工具。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)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(chǎng)加工；沒(méi)有大中型設(shè)備的損耗；檢測(cè)方便、快捷，同時(shí)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(duì)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(shí)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(guān)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(tái)班費(fèi)、人工費(fèi)和檢測(cè)費(fèi)。
(2)運(yùn)用該技術(shù)施工時(shí)對(duì)環(huán)境的干擾影響很小，符合現(xiàn)代工程建設(shè)對(duì)施工技術(shù)的要求，有利于環(huán)境保護(hù)，從長(zhǎng)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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