一、引言

1、随着我国经济建设和交通事业的飞速发展，现有公路桥梁中有相当一部份由于当时设计荷载标准低，难以满足当前重交通的需求，亟需进行维修、加固，或者拆除、新建。如将这些桥梁全部拆除新建，不仅时间上不允许，而且耗资巨大。采取有效的加固、改造措施，提高其承载能力与延长使用年限，使其满足交通量增长的需求，这一技术措施不仅是我国桥梁维修技术的创新，而且必将给国家带来显著的经济效益和社会效益。


碳纤维复合材料加固修补混凝土结构技术是一种新型的结构加固技术，它利用对混凝土有很强的渗透性和足够的粘结强度的树脂，将碳纤维布粘贴于混凝土表面，以达到对结构加固补强的目的。

碳纤维复合材料用于混凝土结构加固补强技术在我国起步较晚，但发展迅速。1997年北京特希达科技有限公司根据对日本、美国、瑞典等国家碳纤维生产和应用技术的考察，并结合我国国情，与国内一些大专院校，科研单位合作对混凝土结构的梁、板、柱等构件用碳纤维复合材料补强的作用效果和机理进行了系统的试验研究，以大量的试验成果验证了碳纤维复合材料修复补强加固混凝土结构的效应。并在实践中得到检验和受到业主及有关方面的好评。

目前，我国使用的树脂适用温度为5~35℃，而实际在施工中气温低于7℃，施工就难以保证工程质量，效果不佳。因为温度低于7℃时，树脂的流动性差、渗透性弱，固化时间长，从而导致施工不便。而对于我国长江以北地区每年有3~4月的时间，气温在-15℃~+5℃，也就是说如果没有有效的围护升温措施是无法进行施工的。如桥梁工程，面积大，地处空旷，要想维持环境温度在7℃以上是很困难。因此寻找一种能在低温条件下使用的树脂，是势在必行的。

北京特希达科技有限公司为了适应工程技术发展的要求，最近引进一种“改性树脂”，能在-10℃的条件下正常施工，且所有的技术指标均达到春、夏、秋用树脂粘贴碳纤维的要求。

下列不同气温对树脂的选择和三种树脂特性比较见表1、表2。

二、改性树脂及其碳纤维的特点

2、碳纤维复合材料是用抗拉强度极高的碳纤维丝拉拔成型，单向排列，并通过予张编制方法成型，形成单向排列以树脂为基体的碳纤维复合材料，它具有极优越的品质，抗拉强度大，弹性模量高，比重小，抗疲劳强度高，耐久性能好，耐磨损，抗腐蚀、徐变及热膨胀系数小以及施工简捷，工效高，对施工空间要求低，便于在狭窄空间作业等一系列优点。

一般碳纤维片材采用平行衬纸型，其表面有一定刚性，不太适合棱角处施工，它适用于春、夏、秋季使用。经纬编织型（交叉型）碳纤维片材的单位束（约2~3mm）之间，有明显的间距（约0.5mm）,材质柔软，树脂的浸透性好，但比较松散，容易产生皱纹，它与改性树脂配套适于冬季（5℃~-10℃）使用。详见3、表4。

碳纤维片材的预浸树脂含量由原来的4%降到0.2%有利于树脂的渗透，同时碳纤维片材也比较柔软易弯折（尤其角部空鼓易控制）一般的碳纤维片材低温时很脆很硬，在粘贴时混凝土构件的角部易回缩，造成空鼓。

常用环氧树脂使用时，仅外掺主剂和固化剂，而改性环氧树脂使用时，除外掺主剂与固化剂外，再加入一种固化催进剂。固化催进剂能加快固化反应速度，缩短固化反应时间（不同的温度加入的固化催进剂数量不同，参见表3）。

改性树脂在做最后一层上涂时，添加蜡剂，使上涂的表面看起来色泽均匀一致、比常用树脂较美观。

三、工艺原理和应用范围

3、工艺原理 

将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强片材（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

①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。

②对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。

③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。

④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。 


⑤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。

①用滚筒刷均匀地涂刷底层涂料。

②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。

①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。

②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RH<85%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。

①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。

②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。

③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

①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

②混合的顺序是：先计量树脂，然后添加固化促进剂搅拌1~3分钟，再后添加固化剂搅拌1~3分钟。严禁同时添加固化剂和固化促进剂进行混合。

③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。

④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。

⑤标准使用量的胶凝化时间设定为：底涂：30~40分钟，腻子：40~50分钟，浸渗粘接树脂：50~60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。

⑥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。

⑦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。

⑧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

①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。

②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。

③固化剂不得与胺类、强酸、强碱、还原性物质接触。

④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）

①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。

②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


①涂饰、弹性封闭材等会造成粘接不良，应予清除。

②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。

③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。

④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。

⑤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

①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。

②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。

③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

①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。

②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。

③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/m2 。

④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（1~2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/ m2 。

⑤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（1~2小时）后，进行浸渗粘接树脂的下涂（REPLARK20：0.4kg/m2、REPLARK30：0.5kg/m2）,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/m2、REPLARK30：0.3kg/m2）。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。

⑥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

①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。

②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。

③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。

④结构物表面处理（详见前叙）

⑤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。

⑥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。

⑦贴碳纤维片


⑧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。

⑨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。

⑩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250@150×10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，室外温度0℃，（其余的围护起来，围护9℃）上午10:00开始做环氧底涂，称量主剂以后加入固化催进剂，搅拌均匀，再加固化剂，搅拌之后，明显感觉到它的流动性比较好，很均匀的涂刷在砼构件表面，至11:30底涂已经渗透固化可做下道工序（以前的底涂材料需要在15℃养护5小时，而现在1-2小时即可，底涂材料的可使时间在20-30分）。11:45开始刮腻子。腻子在-5℃才开始添加固化催进剂，而且随不同的温度，添加的数量是不同的。12:00刮腻子工序完毕。14:00腻子已经指触干燥，（原来的环氧腻子在15℃，需要6小时的固化时间，现在是1-2小时，腻子的可使时间30-40分。）开始粘贴碳纤维，称量主剂后加入固化催进剂，搅拌均匀添加固化剂，搅拌后，树脂的流动性很好，下涂时，伸直碳纤维，然后从一端开始粘贴，用刮板刮平拉至另一端，尤其在构件的角部， 碳纤维不回缩，很易粘贴，同时也未出现空鼓现象。用罗拉滚轧2-3遍后，即可看到碳纤维表面渗透的树脂，渗透很充分，15:30粘贴完毕，在做最外层的上涂时树脂里面添加上光蜡，使粘贴的表面均匀，色泽一致，树脂的可使用时间为40-50分。从整个过程我们可以看出：容易控制空鼓的数量，加快固化速度，缩短工期。

快速固化/低温用改性树脂的不足之处：1.防火方面，我们知道碳纤维是在几千度的高温下经过特殊工艺制成的，但环氧树脂的耐火性不强（260℃）。目前的方法在碳纤维外面刷防火涂料或外挂放火板材。2.装饰方面，根据不同的工程，甲方的要求不同（外装），目前只是在外面涂刷掺胶的水泥浆，效果不理想。3.改性环氧树脂必须与经纬编织型（交叉型）碳纤维配套使用。这三方面的问题有待继续完善。

注意事项：

1） 凝胶化时间过后会发生急剧固化，不能再使用，所以可使用时间应设定为比凝胶化时间短10分钟。

2） 固化剂和固化促进剂不要直接进行混合。主剂（树脂）应先与固化促进剂均匀混合后，再添加固化剂均匀混合。