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碳纤维布加固技术

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碳纤维布加固技术

一:碳纤维加固技术简介
纤维类材料(碳纤维布、碳纤维板、芳伦纤维及玻璃纤维)加固修复混凝土结构技术是采用配套粘结树脂将碳纤维布粘贴于混凝土表面,起到结构补强和抗震加固的作用。广泛适用于建筑梁、板、柱、墙等的加固,以及桥梁、隧道、烟囱、筒仓等其它土木工程的加固补强。
工程材料的进步及新材料的出现历来是土木结构工程发展的先驱和动力。自1997年国内第一个碳纤维加固混凝土梁的试验以来,FRP材料应用技术在我国迅速发展,2003年正式出台了中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,外贴FRP片材加固技术已经成为钢筋混凝土结构加固的主要方法之一。作为传统建材的一个重要补充,FPR具有巨大的发展潜力。
二:
碳纤维的发展历史
碳纤维材料制造工艺
1860年,斯旺制作碳丝灯泡。
1878年,斯旺以棉纱试制碳丝。
1879年,爱迪生以油烟与焦油、棉纱和竹丝试制碳丝(持续照明45小时)。
1882年,碳丝电灯实用化1911年,钨丝电灯实用化。
1950年,美国Wright--Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维。
1959年,美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维“Thornel—25”,日本
大阪工业试验所的进藤昭男发明了PAN基碳纤维。
1962年,日本碳公司开始生产低模量PAN基碳纤维(0.5吨/月)。
1963年,英国皇家航空研究所(RAE)的瓦特和约翰逊成功地打通了制造高性能PAN基碳纤维(在热处理时施加张力)的技术途径。
1964年,英国Courtaulds,Morganite和Roii--Roys公司利用RAE技术生产PAN基碳纤维。
1965年,日本群马大学的大谷杉郎发明了沥青基碳纤维美国UCC公司开始生产高模量黏胶基碳纤维(石墨化过程中牵伸)。
1970年,日本吴羽化学公司生产沥青基碳纤维(10吨/月),日本东丽公司与美国UCC进行技术合作。
1971年,日本东丽公司工业规模生产PAN基碳纤维(1吨/月),碳纤维的牌号为T300,石墨纤维为M40。
1972年,美国Hercules公司开始生产PAN基碳纤维日本用碳纤维制造钓竿,美国用碳纤维制造高尔夫球棒。
1973年,日本东邦人造丝公司开始生产PAN基碳纤维(0.5吨/月) 日本东丽公司扩产5吨/月。
1974年,碳纤维钓竿、高尔夫球棒迅速发展日本东丽公司扩产13吨/月。
1975年,碳纤维网球拍商品化美国UCC公司公布利用中间相沥青制造高模量沥青基碳纤维“Thornel—P” 美国UCC的高性能沥青基碳纤维商品化。
1976年,东邦人造丝公司与美国塞兰尼斯进行技术合作住友化学与美国赫格里斯(Hercules)成立联合公司。
1979年,日本碳公司与旭化成工业公司成立旭日碳纤维公司。
1980年,美国波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维。
1981年,台湾台塑设立碳纤研究中心,日本三菱人造丝公司与美国Hitco公司进行技术合作。
1984年,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T800。
1986年,日本东丽公司研制成功高强中模碳纤维T1000。
1989年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M60。
1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维M70J,杨氏摸量高达690GPa。
1997年,国内开展第一个碳纤维加固混凝土梁的试验,FRP材料应用技术在我国迅速发展。
2003年,正式出台了中国工程建设标准化协会标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003。
2007年,《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146:2003(2007版) 发行。
2010年以来,碳纤维加固在中国加固工程中的应用已非常普及,设计及施工经验已经相当成熟。
碳纤维布
三:碳纤维的力学性能
纤维复合材料的力学特点是其应力应变量完全线弹性,不存在屈服点或塑性区,所以是建筑加固补强的理想材料。
优点:高强、轻质、耐腐蚀、耐疲、现场施工便捷,较高的防磁、防辐射性能。
1.
高强高效,碳纤维片的抗拉强度高于普通钢10~15倍,弹性模量与钢接近;
2.具有良好的耐久性和耐酸碱盐各类化学介质的腐蚀,不需定期维护;
3.良好的耐热和耐寒性长期在-54℃至83℃条件下使用,强度不发生变化;
4.抗紫外线及核辐射,碳纤维片的强度和粘着性在50年时间内不发生劣化,在核辐射实验室中可经受20年;
5.施工简便,不受形状限制,易贴附,施工质量易保证;
6.具有良好的耐水性,在70℃条件下,浸渍3天,抗拉强度不降低;
7.符合环保要求;
8.成为国际上建筑物结构补强加固新趋势。
缺点:由于碳纤维片材受拉时呈线弹性性能直至破坏的性质,所以在粘贴碳纤维片材的结构设计中不能将碳纤维片材作为钢筋的替代物。而且三种FRP中,CFRP是电导体。
原因:1.碳纤维片材不具备钢筋的延性,加固后结构的延性将受到限制;2.由于碳纤维片材的延性缺乏,构件中的应力重分布将受到约束。因此在设计时,必须考虑碳纤维片材的脆性特点。
四:CFRP片材对于各种加固类型的适应性
1.广泛适用于梁、板、柱等构件及曲面、节点的结构补强及抗震加固;
2.钢筋混凝土构件的裂缝加固;
3.满足结构承受动静载荷的需求,如桥梁桥墩、立交横梁、桥板、桥面;
4.构件的抗弯、抗剪、抗压加固,结构体系的抗震及砌体结构的加固。
碳纤维适用性对比

五:国内碳纤维布的力学性能指标及国家规范

性能项目
I-300
I-200
II-300
II-200
强度级别
高强I级
高强I级
高强II级
高强II级
克 重(g/m2)
300
200
300
200
理论厚度(mm)
0.167
0.111
0.167
0.111
抗拉强度(MPa)
国标安全指标
3400
3400
3000
3000
测试数据
3647
3696
3202
3249
弹性模量(GPa)
国标安全指标
240
240
210
210
测试数据
241
241
213
212
伸长率(%)
国标安全指标
1.70
1.70
1.50
1.50
测试数据
1.70
1.70
1.51
1.51

碳纤维布碳纤维原料力学指标

纤维类别
性能项目
抗拉强度(Mpa)
弹性模量(GPa)
伸长率(%)
碳纤维丝
高强度I级
≥4900
≥2.4X105
≥2.0
高强度II级
≥4100
≥2.4X105
≥1.8


六:碳纤维布加固施工工艺

1、施工流程
 2、施工步骤
1、卸荷。卸荷加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。
2、基底处理。混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,对于较大面积的劣质层,在凿除后应用环氧砂浆进行修复。裂缝部位应首先进行封闭处理。用混凝土角机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,构件基面的混凝土要打磨平整,尤其是表面的凸起部位要磨平,转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥30mm)。用吹风机将混凝土表面清理干净,并保持干燥。
3、涂底胶。按主剂∶固化剂=2∶1(或其他比例)将主剂与固化剂先后置于容器中,用弹簧秤计量,电动搅拌器均匀搅拌,根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间。一般情况下1h内用完。用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准)再进行下一工序施工。一般固化时间为2~3d。
4、基面找平。混凝土表面凹陷部位应用填平,模板接头等出现高度差的部位应填补,尽量减小高度差。转角处也应处理成光滑的圆弧,半径不小于30mm。
5、粘贴碳纤维布。按设计要求的尺寸及层数裁剪碳纤维布,除非特殊要求,纤维布长度一般应在3m之内。调配、搅拌面胶(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。粘贴碳纤维布,在确定所粘贴部位无误后剥去离型纸,用特制滚子反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使胶充分浸透纤维布。多层粘贴应重复上述步骤,待纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹面胶。纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于100mm,纤维布端部固定用横向纤维布或粘钢固定。
6、防护保护。加固后的纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。
3、施工中应注意的事项
(1)施工宜在5℃以上环境温度条件下进行,并应符合配套树脂的施工使用温度。当环境温度低于5℃时,应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
(2)在表面处理和粘贴碳纤维布前,应按加固设计部位放线定位。
(3)树脂配制时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中,用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌所用的容器内不得有油污及杂质。宜根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量,并严格控制使用时间。
(4)粘贴前板底首先要打磨平整,除去表层浮浆、油污等杂质,直至完全露出结构新面,混凝土表面应清理干净并保持干燥;钢筋露出部位须做防锈处理,如损坏程度严重,须采取其它措施,以确保安全;转角粘贴处要进行倒角处理打磨成圆弧状,圆弧半径不应小于20mm。
(5)按比例准确配制好底胶并搅拌均匀,注意一次调和量在可使用时间内用完,超过时间的绝对不能使用,以确保粘接质量;底胶硬化后,在表面有凸起部分时,要用磨光机或砂纸打光。
(6)粘贴碳纤维布时要从中间向两侧进行粘贴,可避免施工时产生气泡影响加固效果。
(7)碳纤维布配套树脂的原料应密封储存,远离火源,避免阳光直接照射。
(8)树脂的配置和使用场所,应保持通风良好,现场施工人员应根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施。
(9)涂刷碳纤维专用漆必须等树脂初期硬化后再施做,如表面上仍有不平,用环氧树脂砂浆作细部找平后再涂刷碳纤维专用漆。
(10)碳纤维布的施工应由具过硬施工工艺技术的专业施工队伍完成,并应精心组织、精心施工.
七:碳纤维布加固施工案例
碳纤维布加固施工案例
八:碳纤维加固价格
对于任何一位甲方,对于任何一种加固方案,价格无疑是最敏感的,甚至是决定选择加固设计、施工单位的重要标准。碳纤维布加固价格各地有不同的定额标准,以北京2013年9月为例,混凝土梁300g碳纤维布加固价格定额为:588.73元/平米,每多加一层,价格为:503.16元/平米。
在实际施工过程中,取费标准并不仅限于材料费和人工费,取决于多种因素,同时包括施工难度、设备损耗、材料损耗、运输费等等。如果项目方量足够大,比如能达到3000平米,最后的取费价格可能会低于定额,而一些小项目,比如别墅加固项目,方量仅十几平米,材料的损耗、人工的浪费、运输费的效能比都会比大项目高得多,碳纤维加固价格可能会升到1000元以上,取费标准如果还按照定额计算的话,就没有施工单位愿意参与了。
以材料成本来看,报价也会存在明显差异,目前国内碳纤维加固采用的碳纤维布一般分为300g、200g两种,而同样的克数,材料厂家不同也会价格差异明显,有国产丝-国内编织、进口丝-国内编织、纯进口产品。
综上所述,碳纤维加固的价格取决于多种因素,要按工程实际情况进行分析、洽谈,不分项目类别就能给出碳纤维布加固价格的加固公司,请敬而远之。