碳纤维补强加固施工技术在房建中的应用

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  [摘 要]在房屋建筑使用过程中,因使用功能的改变,需要进行各种类型的改造,如楼板开洞、剪力墙开洞等,在这些改造中,因结构荷载、约束条件发生变化,出现了如何最有效地进行加固的问题。随着有关科研工作的深入开展,工程实践经验的不断积累,该技术的应用也必将呈现出更加广阔的前景。
  [关键词]结构板 碳纤维 补强加固
  中图分类号:TV698.2 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)39-0201-02
  1.碳纤维布加固的原理
  碳纤维加固技术是利用树脂类材料将碳纤维粘贴于结构或构件表面,使碳纤维与混凝土形成一个复合性整体,通过其与结构或构件的协同工作,提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力,从而达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作,粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用,它既要确保各碳纤维丝共同工作,同时又确保碳纤维布与结构共同工作,从而达到加固的目的。碳纤维加固修复混凝土结构所用材料主要有两种:碳纤维材料和配套树脂。其中碳纤维的抗拉强度为建筑钢材的十倍,而弹性模量与钢材相当,且施工性能与耐久性良好,是一种很好的加固修复材料;配套树脂则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂,前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量,而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合性整体,并且共同工作,提高结构构件的承载能力,从而达到对结构构件进行加固、补强的目的。
  2.碳纤维布加固技术的特点
  高抗拉强度、高弹性模量;加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性;自重轻、厚度薄;施工无需任何夹具、模板,质量易于保证,占用场地较小,涉及的工种不多,且工效高、工期短,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;施工质量易保证,即使被加固结构的表面不是非常平整,粘结碳纤维加固也可以保证近100%的粘贴率,且现场检测方便,即使有小的空鼓,也可以用针管注胶法补救,由于碳纤维自身优异的物理力学性能,在加固混凝土结构中利用其高强度、高弹性模量的特点提高了混凝土的承载力等;施工现场无湿作业,不需动用明火;应用范围广,已有建筑结构由于使用功能的改变、设计或施工的失误、结构本身的老化,规范要求的改变及地震作用等因素的影响,造成结构承载力、构造等不能满足要求,都可以使用该加固技术,碳纤维加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补,如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构,要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可;在建房屋楼板进行开洞改造,其楼板的强度和刚度均会有不同程序的削弱。
  3.碳纤维布加工施工工艺流程
  碳纤维布加固施工施工工艺流程:施工准备→弹线定位→混凝土表面处理→底胶配置并涂刷→找平胶配置对不平整进行修复处理→粘贴胶配置涂刷→粘贴碳纤维布→重复粘贴胶涂刷及粘贴碳纤维布到规定的层数→角钢角钢螺栓锚固→面涂→固化保养→加工材料涂装。通过弹线定位确定混凝土构件位置,并进行三方验线;对混凝土面处理,对加固混凝土表面进行清洗,研磨处理;缺损部位要进行修复,裂缝缺损大的部位提前处理;预土底胶采用滚刷方式;采用刮刀等对底面进行处理调整;用刮板对刷底胶后的粘贴面进行找平,并配合使用找平胶胶水;粘贴碳纤维材料,注意脱泡处理;用滚刷刷涂面胶,需多层时,反复涂刷;根据使用功能和用途,进行加工材料涂装。在进行建筑结构可靠性鉴定分析并在其基础上提出的补强加固技术方案后,要有具体的补强加固设计和施工组织设计作技术指导,并按合理的施工程序来进行施工。
  4.碳纤维布施工技术重点难点分析
  4.1施工准备
  参加设计人员进行的安全技术交底;根据施工现场和被加固构件混凝土的实际状况编制专项施工方案;组织施工技术人员、施工操作人员熟悉设计施工图,认真做好图纸自会审;对所使用的碳纤维布粘结剂,机具等做好施工前的准备工作;并按设计和有关规范要求对碳纤维布粘结剂做见证取样复检;同时对影响加固的障碍物进行清除;根据图纸内容核对工作内容,保证粘贴的准确性;做好如下检查内容:量测记录洞口的实际尺寸、砼表面的凹凸或破损状况、表面龟裂状况、现构件上的附属物情况、周围有无水、粉尘、外来物之污染。
  4.2砼结构表面处理
  应清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、麻面、腐蚀等劣化混凝土,表面要打磨干净,漏出混凝土结构层,最好用丙酮或无水酒精清冼一遍,并用修复材料将表面修复平整;对较大的孔洞、凹陷、露筋等部位,在清理干净后,应采用粘结能力强的修复材料如环氧砂浆进行修补;使用混凝土角磨机、砂纸等机具把混凝土表面打磨平整,去除表面浮浆及油污等杂质和凸起部位,直至完全漏出混凝土结构新面;混凝土表面应清理干净并保持干燥,涂底层粘结剂前,也可用压缩空气吹干净;不平整表面处理,当砼表面凹凸不平或有孔洞缺陷时,要用找平材料将缺陷处填补平整,等找平材料表面干燥后,再进行下一步施工;转角粘贴处应进行处理并打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20mm,以减缓应力集中,使碳纤维布强度不受影响。
  4.3配制并涂刷底层树脂
  底层粘结剂的作用是使碳纤维与砼表面进行粘结,对加固效果非常重要,按产品生产厂提供的工艺规定配置底层树脂,把底层树脂的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入专用容器内,先称量主剂,然后加入固化催进剂,搅拌均匀,1~3min后再加入固化剂,并用搅拌器搅拌均匀;根据现场实际气温决定配置比例并严格控制使用时间,一次调和量应在可使用时间(约30~40min)内用完;用专用滚筒刷将底层树脂均匀的涂刷于混凝土表面,待树脂表面指触干燥(树脂表面达到固化硬结)后才能进行下一道工序的施工,一般固化时间为6h~24h;底层树脂指触干燥或固化后,表面上的凸起部分(类似结露的露珠状)要用砂布或角磨機磨平;胶粘剂分为底胶、修补胶、浸渍或粘结胶,底胶和修补胶应与浸渍、粘结胶相适配,胶粘剂应具有质检部门的产品性能检测报告和产品合格证,配套的改性环氧树脂胶结剂还应提供耐湿热老化性能指标及施工和使用环境要求。不准使用无触变、高流挂碳纤维胶,以避免胶瘤的形成。   4.4找平处理
  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,模板接头等出现高度差的部位应用修补胶填补,尽量减小高度差,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;应按产品生产厂提供的工艺规定配置找平材料,在找平材料表面指触干燥后,尽快进行下一工序施工。
  4.5粘贴碳纤维布
  按加固设计尺寸剪裁碳纤维布,应注意剪裁后的碳纤维方向与粘贴部位的方向一致,严禁斜向裁切碳纤布,并防止出现拉丝现象,裁剪后的碳纤维布宜卷成卷状,防止褶皱、弯折;
  按产品生产厂提供的工艺规定配制浸渍树脂,浸渍树脂的主剂和固化剂按规定的比例称量准确,装入容器用搅拌器均匀搅拌,一次调和量应在可使用时间(约50~60min)内用完。调配、搅拌粘贴材料粘结剂(使用方法与底胶相同),然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些,涂刷厚度要比底胶稍厚,严禁出现漏刷现象,特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位;
  粘贴碳纤维布,将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置,在确定所粘贴部位无误后,用特制工具反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使粘结胶充分浸透碳纤维布,滚压时不得损伤碳纤维布;并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀,粘贴碳纤维前应对混凝土表面再次擦拭,确认粘贴面无粉尘后,将浸渍环氧树脂均匀地涂抹于所要粘贴的部位,涂刷树脂时,必须做到“稳、准、匀”的要求,即:稳,刷涂用力适度,尽量不流不坠不掉,准在粘贴部位准确进行涂刷,刷满且不出控制线,匀在涂刷范围内薄厚均匀一致,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,多层粘贴时应重复上述步骤;
  碳纤维布粘貼时,同样要“稳、准、匀”,要求做到用力适度,使碳纤维布不皱、不折、展延平滑顺畅,滚压碳纤维布时,必须用专用的滚筒从一端向另一端多次进行滚压,挤除气泡,不宜在一个部位反复滚压揉搓,滚压中应让浸渍树脂充分渗透碳纤维布,做到浸润饱满,碳纤维布需要搭接时,搭接长度必须大于150mm,并保证搭接部位的树脂浸润质量;
  4.6角钢螺栓锚固
  采用角钢和碳纤维布共同加固混凝土结构,可综合二者优点,使加固结构具有更好的延性和承载力,本工程中碳纤维布加固两端采用角钢螺栓进行强化,在拐角处采用L75短角钢固定,并用D10螺栓拧紧,以使碳纤维片材与混凝土梁紧密固定。角钢要注意表面除锈,外露面刷防锈漆;角钢安放时可能会出现角钢与结合面间隙较大的情况,应进行加载,使角钢与结合面紧密结合,加载可采用木方支撑法;加载达到要求后,可安放螺栓,按角钢上空的布置,用电锤成孔,成孔时,按照螺栓尺寸选择钻头,一般比螺栓大2mm,成孔深度不应小于螺栓上面的限制深度;进行清孔,把孔内灰尘清理干净;安装螺栓,首先把化学螺栓的药管放入孔内,严禁使用破碎的药管,后用配套电钻把螺栓慢慢旋转进入孔内,直至底部;此过程严禁用手锤直接砸入;砸入的因管内药剂无法搅拌均匀,不能达到固化效果,螺栓放入后禁止再次扰动,直至固化;拧紧螺栓上的螺母,达到化学螺栓说明的固化时间后,拧紧螺母,若有松动的螺栓应去除后重新成孔安装;卸载:待螺栓全部都拧紧后,可卸掉支撑。
  4.7 表面刷涂面胶
  碳纤维布上外表涂刷面胶,使碳纤维布和配套树脂一体化;碳纤维布粘贴平滑,确认粘贴胶有无渗出(粘贴后30?分钟左右),用滚刷等在表面涂刷面胶,从纤维上沿纤维方向均匀涂刷,使面胶充分浸渍,特别要注意端部与底面密接;碳纤维布的施工,标准为一天一层,一天工作结束后,碳纤维布粘贴不可结束,一定要在表面涂刷面胶;表面涂刷后到面胶固化,用眼检查有无碳纤维布的浮起、膨起、剥落等,发生浮起、膨起、剥落等立即修正;浮起、膨起用脱泡罗啦等,沿纤维方向抹平,把内部气泡挤出;剥落、皱纹用橡皮刀沿纤维方向伸展修补。
  4.8 养护
  粘碳纤维贴布后应进行养护,养护期间(特别是初期固化期间)应严格保证不受外界干扰和碰撞,养护期约1周。
  5. 质量保证措施
  碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于150mm,粘贴碳纤维布应尽量避开障碍物,如遇无法清除的障碍物而需截断时,在截断部位要予以适当处理;所用碳纤维及其配套胶料厂家所提供的材料检验证明;每一道工序结束后均应按工艺要求进行检验,作好相关的验收记、施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的黏结质量为主,用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面,以回声来判断黏结效果,如出现质量问题,应立即返工;出现空鼓等黏贴不密实现象,应采取针管注胶的方法进行补救,若黏结面积小于90%,则判定为黏结无效,需重新施工;用专用滚筒滚压碳纤维布时,可以从一个方向,也可以从中心向两个方向滚压,但不允许来回反复滚动,并且用力要均匀;进行混凝土表面打磨时,室内有很多粉尘,操作人员应配戴防尘口罩,防尘眼镜,并采取水喷雾降尘措施;严格控制施工现场的温度和湿度,基层混凝土的强度要求不低于C15,施工环境温度在5~35℃范围内,相对湿度不大于70%;需割除修补时,应沿空鼓边沿,将空鼓部分的碳纤维布割除,用每边向外缘扩展100mm大小的同样碳纤维材料,用同样粘结剂,补贴在原处,单个空鼓面积<1000mm2采用充胶法,单个空鼓面积≥1000mm2采用割除法,空鼓面积/总粘贴面积<5%采用割除修补法。
  参考文献
  [1] 王宏林.建筑结构加固工程施工技术资料范例[M]北京:中国建材工业出版社,2011.112-119
  作者介绍:鞠玉峰(1967-),男,本科,工程师,从事建筑工程工作。
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