用于建筑物表面的环氧类\碳纤维类加固技术探析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇用于建筑物表面的环氧类\碳纤维类加固技术探析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：通过抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率试验，利用环氧类、碳纤维加固建筑物是将环氧类、碳纤维类涂料粘贴钢板（碳纤维片）在钢筋混凝土结构物的受拉边缘或薄弱部位进行抗压强度与压缩模量试验和弯曲强度来研究得到环氧树脂碳纤维涂料的力学特性，使之与结构物形成整体，从而提高建筑物的承载能力的一种特种加固方法。
关键词：特种加固；环氧树脂碳纤维；加固技术
中图分类号： TU74 文献标识码： A
1、前言
传统加固方法存在以下缺点：增加结构尺寸，减少使用空间，影响建筑的使用和美观；形成不必要的焊接节点和连接；自重大，可能造成连锁修补问题；无法加固修复形体复杂构筑物；碳纤维类加固的优点：轻质高强，强度为钢的8倍；可加固修复任何形状构筑物等。但是目前的碳纤维片或板材为主，采用这种方法虽然较过去的粘钢板等方法有较明显的优势，但随着加固技术的不断发展和人们对加固要求的不断提高，很有必要研究一种比黏贴更有效的加固方式。
基于大量的实践工程和理论方面的推导，本文提出了一种新型的加固方式，即将运用环氧类、碳纤维类加固钢筋混凝土结构。初步分析这种加固方法的优势在于该环氧树脂碳纤维涂料具有补强效果好，加固质量高的特点，对构件的各个方向都能起到加固的作用，不增加原结构自重及原结构尺寸，耐疲劳性能好，同时可以一定程度上避免粘结破坏掉的发生。
2、技术原理
通过抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率试验，抗压强度与压缩模量试验和弯曲强度来研究得到环氧树脂碳纤维涂料的力学特性；对环氧树脂碳纤维涂料进行钢梁弯曲加固可行性试验和混凝土梁弯曲加固可行性试验的研究； 设计研究环氧树脂碳纤维涂料的最佳配合比；通过试验研究环氧树脂碳纤维涂料涂抹方式，包括涂抹厚度，涂抹层数等；在房屋方面研究利用环氧树脂碳纤维涂料黏贴钢板或者碳纤维片的加固技术；在桥梁方面研究利用桥梁预应力和环氧树脂碳纤维涂料来黏贴钢板或者碳纤片的加固技术。
3、关键技术：
本项目采用的技术方案是：用于建筑物的环氧类、碳纤维类加固技术的研发与应用，按照以下步骤进行：
3.1、配置环氧树脂配合比，确定碳纤维尺寸
采用环氧树脂A、B胶和碳纤维材料。
3.2、通过建模测定抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率.
（1）试件模型制作：（2）加载过程：测定拉伸强度时，试验速率为10mm/min,终止试验速度2 mm/min；测定弹性模量、应力-应变曲线时，试验速度为2 mm/min.（3）计算：拉伸强度计算；拉伸弹性模量计算；断裂伸长率计算
3.3、抗压强度与压缩模量:
(1)试样模型制作(2)加载工程:加载的原理是以恒定速率沿试样轴向进行压缩，使试样破坏或高度减小到预定值。在整个过程中，测量施加在试样上的荷载和试样的高度或应变，测定压缩应力和压缩弹性模量等。测量试样宽度和厚度各任意3处（圆柱型试样测任意3处的直径），取算数平均值。测定压缩强度时，试验速率为5mm/min,终止试验速度为2mm/min。(3)计算压缩强度和压缩弹性模量
3.4、钢梁弯曲加固可行性试验
为了验证这种加固方法的实际的加固效果，我们采用涂抹环氧树脂碳纤维涂料分别对钢梁和混凝土梁进行加固试验，通过与原梁的对比试验结果来分析该方法的加固效果。
3.5、混凝土梁弯曲加固可行性试验
为了考察环氧树脂碳纤维涂料的加固效果，我们要对各梁的挠度和应变进行测量，同时还要时刻关注梁的裂缝发展情况。裂缝观测采用裂缝观测仪进行。挠度测量采用量程为3cm的百分表。应变测量采用粘贴应变片的方法，分别在梁底和梁的两个粘贴相应的应变片，粘贴位置如图八所示。通过比较各级荷载下各梁底的挠度和应变以及各梁的极限荷载，破坏形式等可以得到此加固方法的加固效果。
4、技术创新点：
4.1.使用新型的碳纤维环氧树脂复合材料（简称环氧树脂碳纤维胶），该材料是一种将具有一定长度的碳纤维短切丝与具有一定强度的环氧树脂涂料，再配以一定数量石英砂，按照一定的配合比相融合，所研制出来的新型涂料。
4.2.采用环氧树脂碳纤维胶黏贴钢板加固桥梁的破损铰缝，与传统的喷射混凝土加固桥梁铰缝相比：在相同条件下，不会产生单板受力；提高梁板的抗剪承载力，改善了板梁的延性，提高了构件及整个结构的可靠度指标。
4.3. 消除桥梁梁板挠度后使用环氧树脂碳纤维胶将钢板（碳纤维布）固定在桥梁梁底钢筋混凝土面上，梁板复位后钢板（碳纤维布）对梁板施加一个向上的预应力，减小梁板的挠度，用环氧树脂碳纤维胶粘贴预应力钢板（碳纤维布）加固可使梁的承载能力大幅度提高，解决了胶水抗拉不足，不能与黏贴钢板（碳纤维布）同步的问题，可大大提高梁的开裂荷载、抗弯刚度,减小梁的挠度和裂缝宽度,能充分发挥其综合强度。
4.4.采用环氧树脂碳纤维胶加固建筑类钢筋混凝土结构物：有效提高板梁的抗剪承载力，改善了板梁的抗拉承载力，提高了这个加固结构的承载能力指标。
5、实施方案
5.1、配置环氧树脂碳纤维涂料配合比，确定短纤维尺寸
要先从配置环氧树脂碳纤维涂料开始。这一部分主要包括两个方面：1确定最佳的短纤维尺寸；2确定最合适的配合比。短纤维的尺寸 厚度为0.12mm，宽度为2-3mm，长度可以分为5 mm，7 mm，,10 mm三种来分别拌制。首先选定一种尺寸的短纤维，先取少量与一定量的环氧树脂粘结胶黑奴和在一起搅拌，搅拌均匀后看能否继续加短纤维搅拌，如果合适就继续加短纤维进行搅拌，直到不能再搅拌均匀或不能均匀的涂刷为止。我们可以对三种尺寸的短纤维都进行如上的试验，最后取出一种效果最理想的尺寸，几下此时的尺寸和配合比，他用过对比分析的到最合理的配合比。
5.2环氧树脂、碳纤维加固工艺
主要有建筑类、桥梁类环氧类碳纤维加固工艺（桥梁包含预应力黏贴）；环氧类钢板加固工艺。
5.2.1.环氧树脂碳纤维涂料黏贴碳纤维加固施工
5.2.1.1裂缝治理技术
针对梁体出现的裂缝，根据其宽度采取不同的封闭处理方式：
a.对于裂缝宽度fw＜0.15且裂缝深度较浅的细小裂缝可采用改性环氧树脂胶封闭胶进行涂刷封闭处理。
b.对于裂缝宽度fw0.15的裂缝采用恒定低压压注改性环氧化学浆液的方法。
在裂缝上钻孔，钻孔后清除孔内碎渣粉尘。成孔后在钻孔处埋设注浆咀，在同条裂缝上必须设置进浆嘴、排气嘴、出浆嘴。灌浆是施工的关键工序之一，应保证灌浆质量。灌浆机具、器具及管子在灌浆前应进行检查，运行正常时方可使用。灌浆前先接通管道，打开所有灌浆咀上的阀门，用气压为0.2Mpa以上的压缩空气将管道及裂缝吹干净。根据裂缝区域的大小，可采用单孔灌浆或分区群孔灌浆。在一条裂缝上灌浆可由一端到另一端，灌浆时，应待下一个排气嘴出浆时立即关闭转芯阀，如此顺序进行。灌浆压力以0～0.2Mpa为宜，压力应逐渐升高，防止骤然加压。灌浆停止的标志是吸浆率小于0.1L/min，再继续压注几分钟即可停止灌浆，关掉进浆嘴阀门。待缝内浆液达到初凝而不外流时，可拆下灌浆咀，再采用环氧树脂胶泥或快干水泥把灌浆咀处抹平封口。
5.2.1.2环氧树脂碳纤维涂料黏贴碳纤维结构补强技术
施工前对粘贴部位混凝土的表面含水率进行检查，若表面含水率>4%，应采取干燥措施，且施工时温度应在5℃以上。用角向磨光机清除混凝土表面的劣化层，并用高压风机吹净，露出干净、坚实的结构表面。在处理好的混凝土表面上涂一层很薄的底层胶，既可以浸入混凝土表面，增强混凝土表面强度，又可以改进胶结性能，从而提高混凝土与碳纤维布之间的粘结性。根据理论用量，算出所涂布面积的底层树脂用量，视现场温度等实际情况，确保在适用期内用完，按底层树脂规定的的比例把底胶混合搅拌均匀。
底胶干燥后，若发现粘贴表面上有缺损、坑洼、凹陷拐角、模板接头处的高差等等情况，用找平胶进行刮填修补，拐角处填补成R25的圆角。等整平材料凝结至干燥后，如表面有突起毛刺，用砂布打磨光顺。按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，不要在幅宽方向进行裁剪，碳纤维主筋粘贴方向应严格按照施工图执行。
根据粘接胶的标准用量，计算出所涂布面积的需用量，视现场的温度等实际情况，确保在适用期内一次用完，按粘结胶使用说明规定的比例把粘接胶主剂和固化剂置于配胶容器中，用电动搅拌机搅拌均匀。用滚筒刷均匀、无遗漏地将粘结胶涂在底胶表面，粘接胶涂布面边界应比所粘贴的碳纤维布每边大2。
在已涂好粘接胶的混凝土表面铺碳纤维布，碳纤维布的铺贴方向符合设计要求，一层中各张布之间的搭接在纤维方向进行，相邻、层与层之间的搭接应错开1米以上。用胶辊在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并反复碾压，使粘接胶液浸渍碳纤维布，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接。
每处粘接完成后，自然养护24小时内确保不受外力冲击等干扰。粘贴施工完成经自然养护至粘接胶完全固化后，对碳纤维布粘贴面仔细检查，如果碳纤维布贴层有空鼓或气泡，用刀片将碳纤维划开，然后采用注射器针管将调制好的粘接胶注入空鼓或气泡内填充至密实，保证密实粘贴面积大于95%。
最后在碳纤维表面涂防护胶，要求材料均匀涂在碳纤维表面，不脱层、不掉落，能长期在冷热干湿的空气中稳定，同时防止复合材料直接被紫外线照射。
纵向钢板选用Q345C型钢板，规格为7800mm（长）*200mm（宽）*10mm（厚）。横向钢板选用Q345C型钢板，规格为990mm（长）*100mm（宽）*10mm（厚）。纵、横钢板粘贴施工方法基本相同。
5.2.2.1、工艺流程图：
粘钢区域混凝土表面处理 钢板表面处理钢板焊接钻孔植埋螺杆 打孔与表面处理待粘贴钢板 配制结构胶粘贴钢板加压固定钢板表面防腐处理。
5.2.2.2、施工工序
1）表面处理
根据设计图纸的要求并结合现场测量定位，在需粘贴钢板加固混凝土表面放出位置大样，深度凿至7左右，宽度以能放入钢板为宜，表面不平的地方应用尖凿轻凿整平，再用钢丝刷清除表面浮浆，剔除表层疏松物，最后用无油压缩空气吹除表面粉尘或清水冲洗，待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面。
2）钢板表面处理
钢板表面采用磨光机安装砂轮片打磨处理，要打磨出钢板光泽及纹路，打磨方向与受力方向垂直，纹路越大越粗糙越好，越易使混凝土与钢板粘接更好，打磨完成后用丙酮檫拭干净备用。
3）钢板焊接
钢板应尽可能使用整体板材加工，如必须焊接拼状的，应采取双面焊接，焊缝质量等级达Ⅱ级。当纵向粘贴钢板位于跨中部位，其纵向非搭界长度不大于4m。
2）植埋螺栓
依照设计图纸的要求，放出需钻孔的位置，用钢筋混凝土保护层测试仪查明混凝土钢筋布置，然后钻孔。应避免钻孔打孔时碰及钢筋，用压缩空气清理孔内浮尘，再用丙酮清孔，在孔内灌注三分之二孔深的结构胶，用丙酮清洗螺栓，之后安装锚固螺栓，要求埋设牢固，具有可靠的抗拔力，以保持粘贴钢板时有效地加压，同时还可以帮助钢板克服剪切，有利于粘贴得耐久作用。
3）钢板打孔与表面处理
依据现场混凝土上的实际放样进行粘贴钢板下料，并依据现场植埋的螺栓，先对待粘贴的钢板进行配套打孔，然后对钢板的粘贴面用钢丝刷磨机或磨光砂轮机进行除锈和粗糙处理，打磨粗糙度越大越好，打磨纹路应与钢板受力方向垂直。
4）粘贴钢板，用丙酮清洗混凝土表面和钢板粘贴面，并待其发挥干燥。将粘钢结构胶按照供应商提供的产品说明书要求的比例重量比准确称量，搅拌均匀，在事先已确认的可操作时间内在用抹刀将该结构胶抹在已处理好的混凝土表面以及粘贴钢板表面上，为使胶能充分浸润、渗透、扩散、粘附于结合面，宜先用少量胶在结合面来回刮抹数遍，再添抹至所需厚度（2-4），中间厚边缘薄，然后将钢板贴于预定位置，对粘贴钢板与砼贴面之间结构胶要求绝对饱满，保证两者之间紧密联接。
5）将钢板贴到混凝土表面，加垫片，紧固螺母，交替拧紧各加压螺栓进行加压，使多余的结构胶沿板边挤压出来，达到密贴得程度，之后检查钢板与混凝土的粘贴质量，在有空隙的地方应及时注入胶结剂补贴。
6）待粘结剂达到强度后，钢板表面用钢丝刷除锈。为了防止钢板产生锈蚀以及美观的要求，钢板表面须做防腐处理，涂装体系的选择、涂层厚度及施工工艺严格按照《铁路钢桥保护涂装》TB/T1527-2004的规定执行。
5.2.3预应力加固
实施方案顺序：顶升粘贴面处理 加压固定及卸荷系统准备（根据实际情况和设计要求，卸荷步骤有时省去） 胶粘剂配制 涂胶和粘贴 固化、卸加压固定系统 梁板回落检验 维护
5.2.3.1.桥梁顶升
（1）、顶升设备配置
顶升设备采用德国西门子同步顶升系统，本系统由双向液压系统（油泵、油缸、高压油管、高压接头等）、监测传感器、双作用薄型液压千斤顶、计算机控制系统等几个部分组成。
（2）、顶升方案
操作平台
围绕墩柱搭设简易双排脚手架，脚手架采用4.0-6.0m、φ48mm的普通钢管，沿墩柱四周成抱箍状，确保支架稳固后再进行引桥更换支座施工。
反作用力基础
梁底与盖梁底的空间高度满足20cm，利用盖梁作为反力基础，将薄型千斤顶放置在盖梁和梁板之间，用PLC整体顶升系统进行纵向逐联、横向同步顶升梁体，取出原支座，换入新支座。
顶升控制点布置
根据桥梁的结构特点，我们将按照桥梁体系3跨或4跨为一联进行整体顶升，每个桥墩分为2个控制点、桥台处为1个控制点，每个控制点放置14台双作用千斤顶（200T），分为一组。单片梁板两端各放置2个200t超薄型液压千斤顶，每片梁板可以提供800t的顶升力，满足施工要求。在不封路面，车辆正常行驶，不损坏桥体的的情况下进行桥梁底部支座的更换。
5.2.3.2.钢板粘贴同2.2
5.2.3.3.桥梁回落
检查支座安放情况，待梁底结构胶完全固化，确保无误后再次顶升梁板，取出临时支撑，落梁时，控制千斤顶的一次回落量，缓慢分级卸载，密切关注各个支座处的位移传感器数据的变化，保持梁体同步回落，直至稳固。梁体回落的过程中，黏贴的钢板逐渐增加预应力。
5.3、抗拉强度标准值、受拉弹性模量、伸长率测设
作为一种新型的加固材料，根据GB 50367-2006（混凝土结构加固设计规范），CECS146-2003（碳纤维加固技术规程）等规范的要求，必须测量其主要的力学性能，以方便以后的受力分析和计算，主要包括抗拉强度标准值，受拉弹性模量，伸长率，抗压强度与压缩模量，弯曲强度等等。
结束语
本技术的应用可以对桥梁等城建工程项目带来前所未有的改革以及创新，改变传统的加固方式，开创行业内桥梁加固以及房屋加固的新格局，由于国内钢筋混凝土结构的工程量巨大，其中许多结构的使用龄期已达几十年，加上碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构独具的技术优势，该项技术的研究与应用具有巨大的价值，在短短的几年里在国内学术界和工程界已形成研究和工程应用的热点。