碳纤维施工工艺介绍.doc

碳纤维加固混凝土结构施工工艺碳纤维复合材料具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性和耐久性好等优点，碳纤维片加固补强混凝土结构的应用研究始于 20 世纪 80 年代美国、日本等发达国家，进入 20 世纪 90 年代中后期我国的许多科研机构和企业也相继进行了这方面的试验研究。 目前，在我国的北京、上海、天津、江苏、福建等许多地区的桥梁和工民建工程中得到了广泛的应用。其中有些是由于意外事故而导致结构或构件的承载能力而需补强加固的；有些是由于混凝土强度或配筋不足而需补强加固的；有些是由于结构或构件达到或接近使用年限而需加固的；还有部分建筑是未进行抗震设防的，满足不了建筑抗震鉴定标准 GB50023-95 要求，需进行抗震加固。中国革命历史博物馆（以下简称“革历博”）就是属于后两种情况，进行综合比较后选择了碳纤维粘贴抗震加固的方式。下面结合“革历博”具体工程实例谈一谈碳纤维加固混凝土结构的施工工艺。 碳纤维片加固简介（ 1 ）特点 高抗拉强度、高弹性模量。 施工方便，无需任何夹具、模板，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，可多层粘贴，并能有效地封闭混凝土的裂缝； 耐腐蚀及耐久性能好。 不增加结构自重。（ 2 ）适用范围。适用于各种形式的钢筋混凝土结构或构件的加固补强。（ 3 ）加固机理。利用专用环氧树脂将抗拉强度极高的碳纤维片粘贴于混凝土结构表面，并与之形成整体，共同工作。 施工工艺 在碳纤维加固施工前，应尽可能地卸去部分荷载，使碳纤维粘贴施工时结构或构件承受的荷载作用减小到最小程度。其加固施工工序为：混凝土基底处理涂底层涂料用环氧腻子进行残缺修补贴碳纤维片养护涂装完工验收。3.1 混凝土基底处理（ 1 ）裂缝处理。宽度小于 0.2mm 的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹封闭；大于 0.2mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。“革历博”抗震加固的大梁大部分都有宽度不一的裂缝，最大裂缝达到 1mm 以上，为此我们对所加固的主梁首先进行了压力灌胶处理。（ 2 ）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，使其表面平整。（ 3 ）检查外露钢筋是否锈蚀。如有锈蚀，需进行必要处理。（ 4 ）对经剔凿、清除和露筋的构件残缺部分，用环氧砂浆进行修补、复原，达到表面平整。（ 5 ）将构件表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等）打磨平整，修复后的段差要尽量平顺；棱角的部位，用磨光机磨成圆角，圆角半径须 30mm 。（ 6 ）结构或构件表面打磨后，用吹风机将表面灰尘和杂物清理掉，或用水及酒精清洗，并使表面充分干燥。“革历博”工程施工中我们使用吹风机将灰尘清理后又用酒精进行清洗。3.2 涂底层涂料（ 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内，用搅拌器搅拌均匀；一次调和量应在可使用时间内用完。（ 2 ）用滚筒刷均匀地将底层涂料涂刷于混凝土表面，指触干燥后（一般养护 324 小时）才能进行下一道工序的施工。（ 3 ） 底层涂料指触干燥或固化后，表面上的凸起部分（一般类似结露的露珠一样）要用砂布或角磨机磨平。3.3 用环氧腻子进行残缺修补（ 1 ）构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，并修复至表面平整、顺滑。（ 2 ）内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补，使之平顺。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。3.4 粘贴碳纤维片（ 1 ）树脂的主剂和固化剂应按规定的比列称量准确，装入容器用搅拌器均匀搅拌。一次调和量应在可使用时间内用完。（ 2 ）纤维顺长方向片材的接头必须搭接 10cm 以上。该部位应多涂树脂，脱泡、树脂操作按正常进行。在片材宽度方向不需要搭接。（ 3 ）贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘贴用环氧树脂，称为下涂。贴片时，在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，使树脂渗浸进纤维中。（ 4 ）纤维片施工 30 分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘贴用环氧树脂，称为上涂。如需多层粘贴则重复 3.4.1 3.4.4 步骤，并保证底层粘贴的碳纤维片上涂已指触干燥，才能粘贴下一层。（ 5 ）最后一层碳纤维的上涂应涂刷均匀、周边整齐。3.5 养护（ 1 ） 碳纤维片施工后，应进行养护，保证养护期间的温度不低于环氧树脂的允许使用温度。（ 2 ）养护期一般在 12 周内。维）；用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强贴片与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。4 、应用范围 桥梁、工业与民用建筑以及特种结构，高耸结构、蓄水池、罐、涵洞、隧道、码头海港，等钢筋混凝土结构物，构筑物的修复、补强。四、施工及质量控制5 、工艺流程总体上讲，工艺流程可以归纳为：（混凝土结构物卸载 - ） 混凝土基底处理 涂底层涂料 构件表面残缺面的修补 粘贴碳纤维片 养护 涂装5.1 基底处理 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。 对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。 裂缝修补。缝宽小于 0.2mm 的裂缝，用环氧树脂进行表面涂刷密封；大于 0.2mm 的裂缝用环氧树脂灌缝。 打磨。将构件表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差等）打磨平整。修复后的段差尽量平顺。 清洗打磨过的构件表面，并使其充分干燥。5. 2 涂底层涂料。先称量主剂，然后加入固化催进剂，搅拌均匀， 1-3 分钟后再加入固化剂，搅拌均匀，涂刷。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。 用滚筒刷均匀地涂刷底层涂料。 指触干燥时间因气温不同，一般气温在 -10 15 ，指触干燥时间在 3 小时到 1 天之间变化。5. 3 构件表面残缺面的修补用环氧腻子对构件表面残缺面的修补是十分重要的一步，要点如下。 腻子主剂、固化催进剂、固化剂按规定比例称量准确，装入容器，添加次序同底层涂料施工要求 , 用搅拌器搅拌均匀。 构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整。内角（段差、起拱等）要用环氧腻子填补，使之平顺。在残缺修补中使用环氧腻子时，要在气温 -5 以上， 相对湿度 RH85% 的条件下施工。腻子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。5.4 粘贴碳纤维片粘贴碳纤维片之前，首先应确认粘贴表面干燥。气温在 -10 以下，相对湿度 RH 85% 时，如无有效措施不得施工。为防止碳纤维受损，在碳纤维片运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受到弯折。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维片，每段长度一般以不超过 6m 为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡、渗浸过程要加倍认真操作。为防止片材在保管过程损坏，片材的裁切数量应按当天的用量裁切为准。碳纤维纵向接头必须搭接 20cm 以上。该部位应多涂树脂，碳纤维横向不需要搭接。其施工工艺要点如下。 粘贴树脂的主剂、固化催促剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，添加次序同涂底层涂料 , 用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。 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。 需粘贴 2 层以上碳纤维片时，重复第 4.5.5 步聚，并遵守 4.4.3 的规定。5.5 养护粘贴碳纤维片后，需自然养护 1-2 小时达到初期固化，应保证固化期间不受外界干扰和碰撞。5.6 涂装若加固补强构件需要防火时，可在树脂固化后涂刷耐火涂层。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。五、施工工法 改性环氧树脂使用的碳纤维片材应使用经纬编织交叉型。改性环氧树脂在 -10 35 的温度范围内可以通过调节固化剂、固化促进剂的量进行使用。树脂、固化剂、固化促进剂的计量必须使用计量器，计量器精度为 1g 。标准添加量参考固化剂、固化促进剂标准使用量见表 5 混合的顺序是：先计量树脂，然后添加固化促进剂搅拌 13 分钟，再后添加固化剂搅拌 13 分钟。严禁同时添加固化剂和固化促进剂进行混合。 固化剂（及固化促进剂）的添加量为应充分考虑施工温度及混凝土主体温度后决定。 应注意，冬季的混凝土主体温度有时比作业场所的温度低，这时固化时间会变长。主体温度低时，如果增加固化剂、固化促进剂，会使树脂的可使用时间变得非常短。 标准使用量的胶凝化时间设定为：底涂： 3040 分钟，腻子： 4050 分钟，浸渗粘接树脂： 5060 分钟。胶凝化时间一超过，就会发生急剧的固化，不能再进行使用，所以可使用时间应比凝化时间短 10 分钟。 树脂的混合量应在可使用时间内用完。特别是在进行浸渗粘接树脂的施工时，应考虑浸渗时间再决定混合量。 改性环氧树脂的燃点比一般的环氧树脂要低，应充分注意防火。改性环氧树脂由于空气中的氧化作用表面的固化受到抑制，有发粘的感觉。在最终层的浸渗粘接树脂（上涂、或下涂）中添加蜡剂，以提高表面的固化性。 树脂类在高温下会逐渐发生胶凝化，应避免日光直射，在阴冷处进行保管。为了确保施工质量，对固化剂、施工温度、基层处理等的要求强调以下。7.1 固化剂 底涂和腻子的固化剂，与浸渗粘接树脂的固化剂不同，使用时应分清用途，不得用错。 固化剂中含有有机过氧化物，应避免使用铁、铜、黄铜等金属制品，应使用玻璃、铝、不锈钢等材料的容器。 固化剂不得与胺类、强酸、强碱、还原性物质接触。 液状的固化剂、固化促进剂应使用专用的计量容器通过容量（ ml ）进行计量。7.2 施工温度日光直射混凝土表面和阴面的温度与气温往往不同，应根据主体的温度决定固化剂的添加量。另外，冬季混凝土主体的温度往往比气温低，需注意。7.3 结露（露水） 由于降雨或结露留下的水分会影响底涂及浸渗粘接树脂的粘结，如果是雨天或结露时，应停止施工。 固化的树脂如果沾上水分，会影响下面一层树脂的粘接性，所以要用棉纱擦干净表面的水分。如果发生浸水，应进行止水、引水处理。7.4 基层处理 涂饰、弹性封闭材等会造成粘接不良，应予清除。 为防止棱角部分经碳纤维片修复后，结构混凝土强度达不到设计要求时，施工前应用砂轮等对棱角进行打磨 R= 30mm 以上。 用聚合水泥（ SBR 、 EVA 系等）进行断面修补时，可能会造成改性环氧树脂的固化不良、粘结不良。这时，应事先在部分施工面上涂刷底涂，确认固化性和粘结性。 混凝土主体上的小孔由于温度变化等会排出混凝土内部的空气及水分，造成空鼓隆起，所以施工时应尽量用底涂或腻子掩埋小孔。 碳纤维补强时，根据施工面的状态进行装饰。混凝土主体的模板段差、凹凸部分不易贴牢纤维片，容易发生隆起，应进行平整修补，打磨使混凝土的段差保持在 1mm 以内。7. 5 底涂、腻子、浸渗粘接树脂的使用 底涂、腻子、渗浸粘接树脂绝对不得使用稀料等有机溶剂进行稀释。用稀料等溶剂进行稀释后，固化树脂的物理性能会降低，不能获得预定的强度。 主剂、固化剂混合后，应严格遵守可使用时间，如果出现胶凝化的前兆应立即停止使用。 树脂类应按照法规保管在没有明火的地方。另外，不要与固化剂靠近存放。7. 6 碳纤维片的使用对推荐使用的经纬编织型（交叉型）碳纤维片的使用应小心谨慎。裁剪后应卷成小卷，防止褶皱。粘贴时，应沿纤维方向留出 20cm 以上的接头。保管纤维片时，应避免日光直射及雨水、灰尘等的侵袭。7.7 施工细节 基层处理用砂轮等清除掉混凝土表面的污垢及浮浆。（全面打磨）棱角处应认真打磨，进行削角。削角半径为 3cm 以上。 清扫用吹风机或棉纱等清除掉打磨时产生的尘土、垃圾等。如用水清洗时应使基层充分干燥。 刷底涂主剂（ QVP-3000WK ）和固化促进剂（ QVA-2000K ）混合均匀后，再与固化剂（ QVC-2000K ）进行混合。固化剂与固化促进剂的添加量根据设定温度进行调整（参照标准使用量一览表）。为提高与主体的粘接性， 施工面采用滚筒或毛刷进行涂刷。涂量为 0.15kg /m 2 。 刮腻子主剂（ QVL-2000WK ）和固化剂（ QVC-2000K ）进行混合。固化剂的添加量（根据施工温度有时也要添加固化促进剂）根据设定温度进行调整（参照标准使用量一览表）。在确认底涂初期固化（ 12 小时）后，为提高与主体的粘接性，施工面采用滚筒或毛刷进行涂刷。涂量为 0.15kg / m 2 。 贴碳纤维片混合浸渗粘接树脂的主剂（ QVR-1000WK ）和固化剂（ QVC-1000K ）固化剂的的添加量（根据施工温度有时还要添加固化促进剂）根据温度进行调整（参照标准使用量一览表）确认腻子的初期固化（ 12 小时）后，进行浸渗粘接树脂的下涂（ REPLARK20 ： 0.4kg /m 2 、 REPLARK30 ： 0.5kg /m 2 ） , 然后粘贴碳纤维片（ REPLARK20 、 30 型），进行浸渗脱泡，尔后再进行上涂（ REPLARK ： 0.2kg /m 2 、 REPLARK30 ： 0.3kg /m 2 ）。下涂树脂初期固化前进行上涂。为提高上涂树脂的表面固化性，在最终层添加蜡剂。 表面装饰确认浸渗粘接树脂初期固化后，进行表面装饰（涂饰、抹灰等）。7.8 质量要求 所有进场材料，包括碳纤维片材料和胶结材料，必须符合质量标准，并具有出厂产品合格证，符合本工程加固补强设计要求同时，也应考虑温度、湿度等因素，方可保证工程质量。 碳纤维片材在运输、储存中不得受挤压，以免碳纤维受损，也不得直接日晒和雨淋，胶结材料应阴凉密闭储存。 各工序的施工质量，由工长负责指导、监督，第一道工序完成后督促操作小组自检，确认合格，提请技术员检查、认可后，才能进行下道工序，否则必须返修至合格为止。贴片前、后，还要由技术员请业主代表或监理人员检查，作贴片数量与质量的签认，不贴片的部位，最后一道工序也要由业主代表或监理人员签认。 结构物表面处理（详见前叙） 涂底层涂料涂料应涂刷均匀、不得漏涂，严禁使用不适合气温条件，超过可使用时间或添加溶剂稀释的涂料。温度低于 7 ，相对湿度 RH 85% ，混凝土表面含水率在 8% 以下，无结露现象时，必须使用改性环氧树脂。 构件表面残缺修补构造物表面小孔、内角必须用环氧腻子修补平整，腻子涂刮后，表面仍存在的不平糙纹，应再用砂纸磨平。 贴碳纤维片 贴碳纤维片时须符合下述条件：a. 碳纤维片材应按规定裁切。b. 气温、空气湿度、构件表面含水率等符合要求。c. 底层涂料及腻子达到指触干燥（树脂表面达到固化硬结）。d. 粘结树脂的类型与施工时的气温适合，主剂和固化剂、固化促进剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应以在使用时间内用完为准。 碳纤维片粘贴的质量检验标准。a. 下涂和上涂渗浸入碳纤维束良好。b. 碳纤维片粘结严实。c. 对于直径在 10mm 以上 30mm 以下的空鼓，每平方米少于 10 个可认为合格；若每平方米在 10 个以上，则认为不合格，需进行补修。对于直径在 30mm 以上的空鼓，只要出现，即认为不合格，需进行补修。d. 顺纤维方向搭接长度不小于 20cm , 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 .e. 碳纤维片材规格，贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合规定。 养护严格遵守自然养护的时间要求。六、工程实例北京市某桥碳纤维加固维修工程，该桥横跨某河，主体结构为三跨 9.5m + 22m + 9.5m 型简支梁，全长 41m 。桥墩，为打入式桩基础，其桩为 35 40cm 砼方桩， #1 、 #2 墩各有 52 根桩 , 上结墩帽，从墩帽底至系梁顶高 6m 。于 2001 年 10 月 23 日 开始对该桥的梁和桩柱进行粘贴碳纤维加固。选南端第一排西起第八根墩柱，采用快速固化 / 低温用改性树脂与原常用树脂作柱的修复补强工艺性能比较，柱的尺寸： 400mm 350mm ，高度 6100mm ，粘贴方案：从柱顶 一米 以下开始粘贴碳纤维，第一层纵贴（ 300mm 200mm ）， 第二层做 250150 10 环包， 下端在 一米 范围内满包。 2001 年 11 月 27 日 ，到现场做试验，试验的墩 柱未予围护，室外