基本介紹
- 中文名：碳纖維加固
- 外文名：Carbon fiber reinforcement
- 時間：研究始於80年代
- 國家：美、日等已開發國家
- 分類：加大截面法、外包鋼加固法
技術標準,材料特點,適用範圍,工藝原理,工藝流程,操作要點,加固材料,機具設備,勞動組織,質量要求,
技術標準
國內最早通過的規範是2003年《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》，其編號為CECS146：2003,
已經被最新的國家標準規範2013《混凝土結構加固設計規範》代替,其編號為GB 50367-2013.
碳纖維加固最近的國標是《結構加固修復用碳纖維片材》GB/T 21490-2008,08年10月1日起執行。
《工程結構加固材料安全性鑑定技術規範》
材料特點
碳纖維與傳統的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節省空間，施工簡便，不需要現場固定設施，施工質量易保證，基本不增加結構尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點。另外，採用該工法，可大大提高建築物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時代的補強材料，而備受青睞和關注。
“碳纖維加固”施工方案圖
“碳纖維加固”施工方案圖(1)抗拉強度高，是同等截面鋼材的7-10倍。
(2)重量輕，密度只有普通鋼材的1/4。
(3)耐久性好，可阻抗化學腐蝕和惡劣環境、氣候變化的破壞。
(4)施工方便快捷、省力節時、施工質量易於保證。
(5)適用範圍廣，混凝土構件、鋼結構、木結構均可進行加固。可大幅度提高構件的承載能力、抗震性能和耐久性能。
適用範圍
目前碳纖維加固技術的套用越來越廣泛。碳纖維加固混凝土和鋼筋混凝土結構的研究比較成熟,而碳纖維加固砌體結構、鋼結構、木結構的研究還處於初始階段。碳纖維加固技術套用前景廣闊,研究碳纖維加固技術對工程實踐有重要的意義,對碳纖維加固技術的研究進行整理,能為相關研究人員了解這一領域的研究成果和開展研究提供參考。更多還原
碳纖維加固法可用於混凝土結構抗彎、抗剪加固，同時廣泛用於各類工業與民用建築物、構造物的防震、防裂、防腐的補強。
·混凝土結構物、橋樑及建築物的梁、柱、面板加固。
·隧道、港灣設施、煙囪、倉庫、廠房的加固。
·受鹽害的混凝土、橋樑以及河川構造物的防護和加固。
工藝原理
將抗拉強度極高的碳纖維用環氧樹脂預浸成為複合增強材料（單向連續纖維）；用環氧樹脂粘結劑沿受拉方向或垂直於裂縫方向貼上在要補強的結構上，形成一個新的複合體，使增強貼上材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。
工藝流程
工藝流程可以歸納為：
施工準備
砼表面處理
塗刷底膠
構件表面殘缺面修補
貼上碳纖維
表面養護
找平材料配置
底層或樹脂配製
浸漬樹脂配製
操作要點
1． 混凝土表面處理
1 將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除乾淨。
2 對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，進行修補、復原。
3 裂縫修補：縫寬小於0.2mm的裂縫，用環氧樹脂進行表面塗刷密封；大於0.2mm的裂縫用環氧樹脂灌縫。
4 打磨：將構件表面凸出部分（混凝土構件交接部位、模板的接槎等）打磨平整，修復後的構件表面儘量平順。
5 清洗打磨過的構件表面，並使其充分乾燥。
2． 缺陷部位塗刷底膠
將配好的底膠（粘結劑），用塗刷均勻於缺陷部位的砼表面。
3． 構件表面殘缺面的修補
用環氧膩子對構件表面殘缺面的修補是十分重要的一步，要點如下：
1 膩子主劑、固化催進劑、固化劑按規定比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。
2 構件表面凹陷部位用環氧膩子填平，修復至表面平整。在殘缺修補中使用環氧膩子時，要在氣溫-5℃以上，相對濕度小於85%的條件下施工。膩子塗刮後，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。
4． 塗刷底膠
將配好的底膠（粘結劑），用滾筒均勻塗刷於需要粘結的砼表面。
5． 貼上碳纖維
貼上碳纖維材料之前，首先應確認貼上表面乾燥。氣溫在-10℃以上，相對濕度RH>85%時，如無有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維材料運輸、儲存、裁切和貼上過程中。套用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷碳纖維材料，每段長度一般以不超過6m為宜。為防止材料在保管過程中損壞，材料的裁切數量應按當天的用量裁切為準。碳纖維縱向接頭必須搭接20cm以上。該部位應多塗樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點如下：
1 貼上樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻。一次調和量應以在可使用時間內用完為準。
2 貼上時，在碳纖維和樹脂之間儘量不要有空氣。可用羅拉（專用工具）沿著纖維方向在碳纖維材料上滾壓多次，使樹脂滲浸入碳纖維中。
6． 養護
貼上碳纖維材料後，需自然養護1-2小時達到初期固化，應保證固化期間不受外界干擾和碰撞。
7． 塗裝
若加固補強構件需要防火時， 可在樹脂固化後塗刷耐火塗層。塗裝應在樹脂初期固化後進行，並應遵守所用塗料的相關標準和施工規定。
加固材料
符合國標GB50367-2006規定的碳纖維加固材料有:
1),碳纖維單向織物布複合材,200克,300克,以及碳纖維條形板
碳纖維布
碳纖維布2),S玻璃布,300克--450克
3),E玻璃纖維單向織物(布)300克--450克
4),改性環氧樹脂,用於粘接纖維布
5）碳纖維板，分1.2mm和1.4mm厚兩種。
碳素纖維加固材料是高強度碳纖維單向排列,用微量的樹脂浸滲後作為混凝土的修復補強材料，其抗拉強度大約是鋼筋的10倍，並且具有重量輕、高彈性、高強度、高耐久性等特性。目前常用的碳纖維加固材料有國產的北京元邦、上海同砼、山東鑫碩、,進口的有日本東麗,日本日新,美國赫氏Hexcel,新日本石油.....等
機具設備
主要機具有砂輪切割機、角磨機、滾刷等，一般在2～4台即可滿足工程要求。
勞動組織
每100M2面積碳纖維加固安排4名技術工人、6名普工。
質量要求
1． 所有進場材料，包括碳纖維材料和膠結材料，必須符合質量標準，並具有出廠產品合格證，符合工程加固補強設計要求。
2． 碳纖維材料在運輸、儲存中不得受擠壓，以免碳纖維受損，也不得直接日曬和雨淋，膠結材料應陰涼密閉儲存。
3． 各工序的施工質量，由技術人員負責指導、監督，每一道工序完成後提請技術員檢查、認可後，才能進行下道工序。
4． 塗底層塗料
塗料應塗刷均勻、不得漏塗，嚴禁在不適合氣溫條件下施工，添加溶劑稀釋後的塗料應在規定時間內用完。
溫度低於7℃，相對濕度RH<85%，混凝土表面含水率在8%以下，無結露現象時，必須使用改性環氧樹脂。
5. 構件表面殘缺修補
構造物表面小孔、內角必須用環氧膩子修補平整，膩子塗刮後，表面仍存在的不平糙紋，應再用砂紙磨平。
6. 貼上碳纖維
①貼碳纖維材料時須符合下述條件：
a、碳纖維材料應按規定裁切。
b、氣溫、空氣濕度、構件表面含水率等符合要求。
c、底層塗料及膩子達到指觸乾燥（樹脂表面達到固化硬結）。
d、粘結樹脂的類型與施工時的氣溫適合，主劑和固化劑、固化促進劑應按規定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻，一次調和量應在規定時間內用完。
②碳纖維貼上的質量檢驗標準。
a、下塗和上塗滲浸入碳纖維束良好。
b、碳纖維粘結嚴實。
c、對於直徑在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少於10個可認為合格；若每平方米在10個以上，則認為不合格，需進行補修。對於直徑在30mm以上的空鼓，只要出現，即認為不合格，需進行補修。
d、順纖維方向搭接長度不小於20cm,各層之間的搭接部位不得位於同一條直線上，層間必須錯開至少50cm。
e、碳纖維材料規格，貼上位置、長度、寬度、纖維方向、層數符合規定。
碳纖維布技術參數
產品型號 | 強度級別 | 克重 (g/m2) | 理論厚度 (mm) | 抗拉強度 (MPa) | 彈性模量 （GPa） | 伸長率 （%） |
CFS -Ⅰ-200 | 高強Ⅰ級 | 200 | 0.111 | ≥3400 | ≥240 | ≥1.7 |
CFS-Ⅰ-300 | 高強Ⅰ級 | 300 | 0.167 | ≥3400 | ≥240 | ≥1.7 |
CFS-Ⅱ-200 | 高強Ⅱ級 | 200 | 0.111 | ≥3000 | ≥210 | ≥1.5 |
CFS-Ⅱ-300 | 高強Ⅱ級 | 300 | 0.167 | ≥3000 | ≥210 | ≥1.5 |
碳纖維加固混凝土裂縫技術
對於寬度大於0.2mm的獨立貫通裂縫，採用壓力灌注結構膠的方法進行補強，同時沿受拉方向或垂直於裂縫方向貼上碳纖維，在要補強的結構上，形成一個新的複合體，使增強貼上材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力，提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。 常用於根底修補的工字梁可以抵擋136~181kN的拉力，避免牆體彎曲，而10cm寬的碳纖維條可接受8至10倍這樣的壓力，其厚度只要3.2mm。
用碳纖維修補房屋裂縫有以下優點
a、重量輕，厚度薄，基本不增加結構自重及截面尺寸。
b、適用面廣，靈活性強，可用於各種類型和形狀的結構構件加固。
c、施工方便快捷，不需要大型機具，沒有濕作業，無需動火，無需其他固定措施，不受原結構形狀限制。
d、高耐久性，由於不會生鏽，非常適合在高酸、鹼、鹽及大氣腐蝕壞境中使用。
