碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的施工應(yīng)用

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(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(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。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(jì)依據(jù)
 
      本地區(qū)某百貨商場(chǎng)一期改造工程中,經(jīng)過現(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法滿足使用要求,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(zhǎng)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(zhǎng)其使用壽命。
      經(jīng)過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),使樹脂從兩邊溢出,保證碳纖維片材與結(jié)構(gòu)之間密實(shí)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(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門的切割工具。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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