碳纤维修复、补强混凝土结构施工工法

　　近年来，结构修复、补强技术广泛应用于桥梁、隧道以及工业民用建筑中的钢筋砼梁、板、柱及剪力墙结构。特别是采用碳纤维修复补强技术时更获得具大成功，其产品性能优异，操作简单，安全可靠，与传统方法相比较，有更大的经济效益、社会效益和环境效益。某工程框架柱的加固补强，采用该项技术，取得了良好效果。
　　一、特点
　　1、碳纤维片材轻质高强：其抗拉强度比普通钢材高8～10倍，将它用粘结树脂与结构粘贴后形成一体，能可靠地与钢筋混凝土共同工作，有优异的补强效果，而结构自重的增加几乎可以忽略。
　　2、抗腐蚀：碳纤维能有效地防护构件的混凝土和钢筋免职受酸、碱、盐、水等介质的腐蚀。
　　3、耐老化：碳纤维与胶结构本身及经其补强的构件可以长期承受紫外线、核幅射；长期在-54～80℃下使用，强度不会降低；经加速暴露老化试验验证可历时40年性能不变；且在表面涂装后，耐用性更加突出。
　　4、保持结构原状，外形美观：碳纤维片材便于随构件原形贴附，基本不改变构件断面尺寸，贴片后表面可以涂刷、粘贴饰面材料、防火材料。
　　5、施工简便、快捷：采用传统的加固补强方法，如包混凝土法、粘钢法，均需进行大量剔凿、植筋、焊接、浇混凝土作业，碳纤维片材施工却不需要。因此，它对施工空间要求很低，便于狭窄空间作业，施工快捷，对生产、使用的干扰很小。
　　二、工艺原理
　　碳纤维片材是用抗拉强度极高的碳纤维丝“拉拔”成型，单向排列，并经环氧树脂预浸而成的结构增强复合材料。将它用粘结树脂作为粘结剂，沿受力方向或垂直于裂缝方向粘贴在受损构件表面，粘结剂作为它们之间的剪力连接媒介，形成新的复合体。使增强贴片与原有钢筋共同受力，增大了结构抗拉或抗剪能力，能有效地提高强度、刚度、抗裂性和延性。整个工艺的关键在于碳纤维片材粘结的紧密、牢固，保证与原结构形成整体，能够共同工作。
　　三、适用范围
　　碳纤维片材修复、补强、加固适用于隧道、桥梁及各类工业民用建筑
　　中钢筋混凝土梁、板、柱、剪力墙结构、涵洞、衬砌、钢筋混凝土烟囱、筒仓、水池、罐体等，由于设计、施工、使用、老化或某种浸蚀、灾害造成的损坏，以及因超载所致的承载力不足。
　　四、主要材料
　　1、碳纤维片材的规格及性能（表略）。
　　2、底层涂料的规格及性能（表略）。
　　3、环氧腻子的规格及性能（表略）。
　　4、浸渍树脂的规格及性能（表略）。
　　五、主要工、机具
　　1、画线工具：墨斗、卷尺、水平议、铅锤；
　　2、切削工具：角向砂轮、锤子、凿子、钻、錾子；
　　3、碳纤维片切割工具：卷尺、钢直尺、壁纸刀；
　　4、调和涂刷工具：台秤、搅拌容器、橡胶抹子、滚筒刷子、油漆刷、搅拌器、托灰板；
　　5、工具：罗拉（专用工具）、橡胶刮板、塑料刮板；
　　6、安全用具：安全帽、安全带、防护眼镜、橡胶手套、口罩；
　　7、施工管理用器具：R量尺、温湿度计；
　　8、其它：空压机、通风设备、养护复合材料、棉纱。
　　六、施工工艺
　　1. 工艺流程
　　2. 操作要点
　　2.1 混凝土基底处理
　　2.1.1 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。
　　2.1.2 检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，进行必要处理。
　　2.1 对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。
　　2.1.4 裂缝修补：缝宽小于0.20mm的裂缝，用环氧树脂进行表面涂抹封闭；大于0.20mm的裂缝用环氧树脂灌缝。
　　2.1.5 将构件表面凸出部分（混凝土构件交接部位、模板的段差）打磨平整，修复后的段差要尽量平顺。
　　2.1.6 棱角部位，用磨光机磨圆角，圆角半径≥30mm.
　　2.1.7 对清洗过的混凝土构件进行围挡，并让其充分干燥。
　　2.2 刷底层涂料
　　2.2.1 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，用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应以要使用时间内用完为准。
　　2.2.2 在底层涂料中严禁加溶剂，含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用。
　　2.2.3 用滚筒刷均匀地涂抹底层涂料。
　　2.2.4 涂料指触时间因气温不同，一般在3h到24h之间变化。
　　2.2.5 底层涂料固化后，在表面上有凸起部分时，要用砂纸磨光。
　　2.2.6 根据施工部位的温度、湿度选择适当的底层涂料，在气温底于5℃，相对湿度RH>85%，混凝土表面含水率>8%，有结露可能而无有效措施时，不得施工。
　　2.3 构件表面的残缺修补
　　2.3.1 构件表面凹陷部位应用环氧腻子填平，修复至表面平整。
　　2.3.2 接槎部位要用环氧腻子填补，使之平顺。在残缺修补中使用环氧树脂时，要在气温5℃以上，相对湿度RH<85%的条件下施工。腻子刮平后，表面仍存在的凹凸糙纹，应再用砂纸打磨平整。
　　2.4 贴碳纤维片材
　　2.4.1 确认粘贴表面干燥。气温在5℃以下，相对湿度RH>85%时不得施工。
　　2.4.2 碳纤维应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸进行切断，每段长度一般不超过6m为宜，若要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡、渗浸过程必须加倍谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏，片材的裁切数量应按当天的使用量为准。
　　2.4.3 碳纤维的纵向接头必须搭接10cm以上，且该部位应多涂粘结树脂，碳纤维横向不需要搭接。
　　2.4.4 粘结树脂的主剂与固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀，一次调和量应以在可使用时间内和完为准。
　　2.4.5 贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂，下涂的涂量标准如下：
　　200g/m2的碳纤维片，400～500g/m2
　　300g/m2的碳纤维片，500～600g/m2
　　2.4.6 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。
　　2.4.7 碳纤维片施工30min后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂，上涂涂量标准如下：
　　200g/m2的碳纤维片，200～100g/m2
　　300g/m2的碳纤维片，300～200g/m2
　　2.4.8 进行空鼓检查，并进行处理。
　　2.4.9 如需粘贴多层碳纤维，重复以上步骤。
　　2.4.10. 如碳纤维片施工不符合质量标准，则需进行相应处理。其中空鼓处理方法如下：
　　注入粘结树脂法：在大纤维片上打开两个以上的小孔，使用注射器注入粘结树脂（或低粘度型树脂）。
　　割刀切入填充树脂补修法：沿纤维方向切入2～3刀，用橡胶刮板、毛刷沾上适量树脂，填进割开的缝内。
　　补丁修补法：当贴片完全固化后，且无法用割刀切开或注入树脂时；或出现褶皱和松弛时，应采用此方法割去不良部分，重新粘贴碳纤维片。
　　2.5 养护
　　2.5.1 粘贴碳纤维片后，需自然养护24h达到初期固化，应保证固化期间不受干扰。
　　2.5.2 在每道工序以后树脂固化之之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。
　　2.5.3 当树脂固化期间存在气温降低到5℃以下的可能时，可采用低温固化树脂，或采取有效的升温措施。
　　2.5.4 碳纤维片材粘贴后达到设计强度所需自然养护的时间：
　　平均气温在10℃以下时， 需2周；
　　平均气温在10～20℃之间，需1～2周；
　　平均气温在20℃以上时， 需1周；
　　在此之间应防止贴片受到硬性冲击。
　　2.6 涂装
　　2.6.1 若加固补强构件需要防火时，可在树脂固化后按业主要求涂刷耐火涂层。
　　2.6.2 对加固补强构件有外观要求时，可在补强后涂刷所需色彩和质量的涂层。
　　2.6.3 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。
　　2.6.4 对新材料新工艺的涂装，事前要做好充分研究，必要时应进行试验，确认后方可正式使用。
　　七、施工管理与劳动组织
　　1.施工管理
　　1.1 项目管理：负责根据加固补强
　　设计文件制定施工组织设计，按计划负责人力、材料、机具和资金等准备，组织施工并对工程质量、进度、安全、物资供应、生活安排、工程的交工验收及结算全面负责。
　　1.2 技术管理：负责为加固补强设计和技术组织措施的实现，做好技术交底、贯彻施工规程与质量标准等工作，为工序检查和隐蔽工程验收确认把关，处理施工中发生的变更和其他技术问题。
　　1.3 作业管理：按操作工序划分作业组，分别负责加固补强的构件打磨、涂刷树脂、缺陷修补、裂缝封闭、贴片、养护等操作过程。
　　八、质量要求
　　1.所有进场材料，包括碳纤维片材和胶结材料，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，适合现场温度、湿度条件的材料。
　　2.碳纤维片粘贴的质量检查标准：
　　2.1 下涂与上涂渗入碳纤维束良好。
　　对裂缝必须处理：缝宽<0.20mm的用环氧树脂涂抹封闭，缝宽>0.20mm用环氧树脂灌缝。
　　2.2 碳纤维片材粘结密实。
　　2.3 对于直径在10～30mm以下的空鼓，每平方米少于10个为合格；若每平方米在10个以上，则认为不合格，需进行修补；对于直径在30mm以下的空鼓，只要出现即认为不合格，需要进行修补。
　　2.4 顺纤维方向搭接长度不小于10cm.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.
　　2.5 碳纤维片材规格、贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合设计规定。
　　3.养护严格遵守自然养护的时间要求。
　　4.涂装符合合同规定或业主要求及相应的施工验收规定。
　　九、工程实例和效果
　　北京金融街某工程，建筑面积11.6万m2，由于设计变更，加层4层，使得局部框架受力不能满足设计要求，因此，对其中8根直径为1200～1300mm柱子，采用碳纤维片材进行补强加固处理，很好地满足了设计要求，并效地保证了工期和施工质量。