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碳纤维加固技术及可行性分析
发布时间：2014-08-05
1.碳纤维材料的基本特性
碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。
（1）碳纤维片材；
片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。
相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。
（2）配套树脂类粘结材料；
混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。
浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。
就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。
2.碳纤维加固原理
将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料（单向连续纤维）；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，使增强粘贴材料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、抗裂性和延长性。碳纤维加固具有轻质、高强、抗腐蚀、耐老化、耐久性好、物理性能稳定等好些长处。用碳纤维加固材料修复补强混凝土结构，是近来发展的新型工法，利用碳纤维材料卓越的抗拉强度到达的增强构件承载能力及刚度的目的。碳纤维加固法可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。
碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件。钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固，是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区，代替或补充钢筋的受拉性能，从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后，在构件受拉区混凝土开裂前，碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后，碳纤维布逐渐参与共同工作，应变增长加快；而在钢筋屈服后，碳纤维布充分发挥作用，应变增长迅速加快，其高强高效的性能得以充分体现。
碳纤维加固钢筋混凝土抗剪构件。钢筋混凝土的抗剪加固，是将碳纤维粘贴于构件的受剪区，这里碳纤维的作用类似于箍筋。在构件屈服前，碳纤维的应变发展缓慢，所达到的最大应变值也较小；在构件屈服后，箍筋的作用逐渐被碳纤维代替，碳纤维的应变发展加快，应变值要高于箍筋的应变值，而箍筋所起的约束作用减小，其应变发展缓慢。
碳纤维加固钢筋混凝土抗震柱。应用碳纤维对混凝土柱进行抗震加固，是通过用碳纤维布横向包裹钢筋混凝土柱来提高其延性而实现的。碳纤维的主要作用是对其内部混凝土起到了约束作用，这种约束是一种被动约束，随着混凝土柱轴向压力的增大，横向膨胀促使外包碳纤维布产生环向伸长，从而提高侧向约束力。约束机制取决于两个因素：混凝土的横向膨胀性能和外包碳纤维布的环向约束能力。碳纤维布约束混凝土表现出两阶段受力过程：第一阶段，混凝土处于类似素混凝土的线弹性阶段，横向变形小，故碳纤维横向变形也很小，分界点在素混凝土峰值应力附近；第二阶段，构件达到极限承载力后，混凝土横向膨胀变形急剧增加，碳纤维环向应变显著增长，环向约束力增加，混凝土极限压应变得以提高，因而推迟了受压区混凝土的压碎，充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能，显著改善了构件的延性。
3.技术流程介绍.
（1）综合说明
碳纤维加固主要材料很多、分为两种：一种为国产碳布；一种为进口碳布。一般均采用300克碳纤维布进行粘贴加固，抗拉强度标准>3000Mpa，弹性模量>2.1*105Mpa，伸长率>1.5%。针对本工程加固部位分为板底粘碳纤维加固。
（2）一般要求
①采用粘贴碳纤维片材对混凝土结构加固时，应使用碳纤维片材、配套树脂类粘结材料和表面防护材料。
②加固用材料应具有质检部门的产品性能检测报告和产品合格证；碳纤维片材和配套树脂类粘结材料应具有符合规定的物理力学性能；对配套的树脂类粘结材料还应提供耐久性能指标及施工和使用环境要求。
③本规程所列碳纤维片材的性能指标是对单向碳纤维片材的要求。
④混凝土、钢筋和其它材料的有关设计指标应按国家现行有关标准采用。
（3）碳纤维片材
②碳纤维片材的主要力学性能指标应满足表2.2.1的要求。
表2.2.1碳纤维片材的主要力学性能指标
性能项目 | 碳纤维板 | |
抗拉强度标准值fcfk | ≥3000MPa | ≥2000MPa |
弹性模量Ecf | ≥2.1×105MPa | ≥1.4×105MPa |
伸长率 | ≥1.5% | ≥1.5% |
③碳纤维片材的主要力学性能指标可参照现行国家标准《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354测定。
（4）配套树脂类粘结材料
①采用碳纤维片材对混凝土结构加固时，应采用与碳纤维片材配套的底层树脂、找平树脂、浸渍树脂或粘结树脂。
②配套树脂类粘结材料的主要性能应满足表2.2.2表2.2.3和表2.2.4的要求。
表2.2.2底层树脂的性能指标
性能项目 | 性能指标 | 试验方法 |
正拉粘结强度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值ftk |
表2.2.3找平材料的性能指标
性能项目 | 性能指标 | 试验方法 |
正拉粘结强度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值ftk |
表2.2.4浸渍树脂和粘结树脂的性能指标
性能项目 | 性能指标 | 试验方法 |
拉伸剪切强度 | ≥10Mpa | GB7124—1986 |
拉伸强度 | ≥30Mpa | GB/T2568—1995 |
压缩强度 | ≥70Mpa | GB/T2569—1995 |
性能项目 | 性能指标 | 试验方法 |
弯曲强度 | ≥40Mpa | GB/T2570—1995 |
正拉粘结强度 | ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值ftk | |
弹性模量 | ≥1500Mpa | GB/T2568—1995 |
伸长率 | ≥1.5% | GB/T2568—1995 |
③树脂类粘结材料应按规定进行正拉粘结强度测试。配套树脂类粘结可参照《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候加速试验方法》GB/T14522—93规定的环境条件进行耐久性检验。经2000h加速老化后，按测定的正拉粘结强度不应明显降低。
（5）表面防护材料
①对已加固完的结构表面应进行防护处理。表面防护材料应与浸渍树脂或粘结树脂可靠粘结。
③当被加固的结构处于特殊环境时，应根据具体情况选用有效的防护材料。
（6）一般构造要求
图2.2.1构件转角处粘贴示意图
③为保证碳纤维片材可靠地与混凝土共同工作，必要时应采取附加锚固措施。
①一般规定
2>施工必须按照下列工序进行：
3>施工准备；
4>混凝土表面处理；
5>配制并涂刷底层树脂；
6>配制找平材料并对不平整处进行找平处理；
7>配制并涂刷浸渍树脂或粘贴树脂；
8>粘贴碳纤维片材；
②表面防护。
1>施工宜在环境温度为5℃以上的条件下进行，并应符合配套树脂要求的施工使用温度。当环境温度低于5℃时，应采用适用于低温环境的配套树脂或采取升温措施。
2>施工时应考虑环境湿度对树脂固化的不利影响。
3>在进行混凝土表面处理和粘贴碳纤维片材前，应按加固设计部位放线定位。
4>树脂配制时，应按产品使用说明中规定的配比称量并置于容器中，用搅拌器搅拌至色泽均匀。在搅拌用容器内及搅拌器上不得有油污和杂质。应根据现场实际环境温度确定树脂的每次拌和量，并按要求严格控制使用时间。
③施工准备
1>应认真阅读设计施工图。
2>应根据施工现场和被加固构件混凝土的实际情况，拟订施工方案和施工计划。
3>应对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等做好施工前的准备工作。
④表面处理
1>应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。
2>应按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。
4>混凝土表面应清理干净并保持干燥。
⑤涂刷底层树脂
1>应按产品生产厂提供的工艺规定配制底层树脂。
2>应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。宜在底层树脂表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
⑥找平处理
1>应按产品生产厂提供的工艺规定配制找平材料。
2>应对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。
3>转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径不应小于20mm。
4>宜在找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
⑦粘贴碳纤维片材
2>双层粘贴时应重复上述步骤，并宜在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴；
3>应在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
⑧表面防护
1>需要做表面防护时，应按有关标准的规定处理，并保证防护材料与碳纤维片材之间有可靠的粘结。
（8）施工安全和注意事项
①碳纤维片材为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施。
②施工过程中应避免碳纤维片材弯折。
③碳纤维片材配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
④树脂的配制和使用场所应保持通风良好。
⑤现场施工人员应采取响应的劳动保护措施。
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