一、引言

1、隨著(zhù)我國經(jīng)濟建設和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現有公路橋梁中有相當一部份由于當時(shí)設計荷載標準低，難以滿(mǎn)足當前重交通的需求，亟需進(jìn)行維修、加固，或者拆除、新建。如將這些橋梁全部拆除新建，不僅時(shí)間上不允許，而且耗資巨大。采取有效的加固、改造措施，提高其承載能力與延長(cháng)使用年限，使其滿(mǎn)足交通量增長(cháng)的需求，這一技術(shù)措施不僅是我國橋梁維修技術(shù)的創(chuàng )新，而且必將給國家帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。


碳纖維復合材料加固修補混凝土結構技術(shù)是一種新型的結構加固技術(shù)，它利用對混凝土有很強的滲透性和足夠的粘結強度的樹(shù)脂，將碳纖維布粘貼于混凝土表面，以達到對結構加固補強的目的。

碳纖維復合材料用于混凝土結構加固補強技術(shù)在我國起步較晚，但發(fā)展迅速。1997年北京特希達科技有限公司根據對日本、美國、瑞典等國家碳纖維生產(chǎn)和應用技術(shù)的考察，并結合我國國情，與國內一些大專(zhuān)院校，科研單位合作對混凝土結構的梁、板、柱等構件用碳纖維復合材料補強的作用效果和機理進(jìn)行了系統的試驗研究，以大量的試驗成果驗證了碳纖維復合材料修復補強加固混凝土結構的效應。并在實(shí)踐中得到檢驗和受到業(yè)主及有關(guān)方面的好評。

目前，我國使用的樹(shù)脂適用溫度為5~35℃，而實(shí)際在施工中氣溫低于7℃，施工就難以保證工程質(zhì)量，效果不佳。因為溫度低于7℃時(shí)，樹(shù)脂的流動(dòng)性差、滲透性弱，固化時(shí)間長(cháng)，從而導致施工不便。而對于我國長(cháng)江以北地區每年有3~4月的時(shí)間，氣溫在-15℃~+5℃，也就是說(shuō)如果沒(méi)有有效的圍護升溫措施是無(wú)法進(jìn)行施工的。如橋梁工程，面積大，地處空曠，要想維持環(huán)境溫度在7℃以上是很困難。因此尋找一種能在低溫條件下使用的樹(shù)脂，是勢在必行的。

北京特希達科技有限公司為了適應工程技術(shù)發(fā)展的要求，最近引進(jìn)一種“改性樹(shù)脂”，能在-10℃的條件下正常施工，且所有的技術(shù)指標均達到春、夏、秋用樹(shù)脂粘貼碳纖維的要求。

下列不同氣溫對樹(shù)脂的選擇和三種樹(shù)脂特性比較見(jiàn)表1、表2。

二、改性樹(shù)脂及其碳纖維的特點(diǎn)

2、碳纖維復合材料是用抗拉強度極高的碳纖維絲拉拔成型，單向排列，并通過(guò)予張編制方法成型，形成單向排列以樹(shù)脂為基體的碳纖維復合材料，它具有極優(yōu)越的品質(zhì)，抗拉強度大，彈性模量高，比重小，抗疲勞強度高，耐久性能好，耐磨損，抗腐蝕、徐變及熱膨脹系數小以及施工簡(jiǎn)捷，工效高，對施工空間要求低，便于在狹窄空間作業(yè)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

一般碳纖維片材采用平行襯紙型，其表面有一定剛性，不太適合棱角處施工，它適用于春、夏、秋季使用。經(jīng)緯編織型（交叉型）碳纖維片材的單位束（約2~3mm）之間，有明顯的間距（約0.5mm）,材質(zhì)柔軟，樹(shù)脂的浸透性好，但比較松散，容易產(chǎn)生皺紋，它與改性樹(shù)脂配套適于冬季（5℃~-10℃）使用。詳見(jiàn)3、表4。

碳纖維片材的預浸樹(shù)脂含量由原來(lái)的4%降到0.2%有利于樹(shù)脂的滲透，同時(shí)碳纖維片材也比較柔軟易彎折（尤其角部空鼓易控制）一般的碳纖維片材低溫時(shí)很脆很硬，在粘貼時(shí)混凝土構件的角部易回縮，造成空鼓。

常用環(huán)氧樹(shù)脂使用時(shí)，僅外摻主劑和固化劑，而改性環(huán)氧樹(shù)脂使用時(shí)，除外摻主劑與固化劑外，再加入一種固化催進(jìn)劑。固化催進(jìn)劑能加快固化反應速度，縮短固化反應時(shí)間（不同的溫度加入的固化催進(jìn)劑數量不同，參見(jiàn)表3）。

改性樹(shù)脂在做最后一層上涂時(shí)，添加蠟劑，使上涂的表面看起來(lái)色澤均勻一致、比常用樹(shù)脂較美觀(guān)。

三、工藝原理和應用范圍

3、工藝原理 

將抗拉強度極高的碳纖維用環(huán)氧樹(shù)脂預浸成為復合增強片材（單向連續纖維）；用環(huán)氧樹(shù)脂粘結劑沿受拉方向或垂直于裂縫方向粘貼在要補強的結構上，形成一個(gè)新的復合體，使增強貼片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。

4、應用范圍

橋梁、工業(yè)與民用建筑以及特種結構，高聳結構、蓄水池、罐、涵洞、隧道、碼頭海港，等鋼筋混凝土結構物，構筑物的修復、補強。

四、施工及質(zhì)量控制

5、工藝流程

總體上講，工藝流程可以歸納為：（混凝土結構物卸載-）→混凝土基底處理→涂底層涂料→構件表面殘缺面的修補→粘貼碳纖維片→養護→涂裝

5.1基底處理

①將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈達到結構密實(shí)部位。

②對經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，進(jìn)行修補、復原。

③裂縫修補�？p寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌縫。

④打磨。將構件表面凸出部分（混凝土構件交接部位、模板的段差等）打磨平整。修復后的段差盡量平順。 


⑤清洗打磨過(guò)的構件表面，并使其充分干燥。

5. 2涂底層涂料。先稱(chēng)量主劑，然后加入固化催進(jìn)劑，攪拌均勻，1-3分鐘后再加入固化劑，攪拌均勻，涂刷。一次調和量應以在可使用時(shí)間內用完為準。

①用滾筒刷均勻地涂刷底層涂料。

②指觸干燥時(shí)間因氣溫不同，一般氣溫在-10℃~15℃，指觸干燥時(shí)間在3小時(shí)到1天之間變化。

5. 3構件表面殘缺面的修補

用環(huán)氧膩子對構件表面殘缺面的修補是十分重要的一步，要點(diǎn)如下。

①膩子主劑、固化催進(jìn)劑、固化劑按規定比例稱(chēng)量準確，裝入容器，添加次序同底層涂料施工要求, 用攪拌器攪拌均勻。

②構件表面凹陷部位應用環(huán)氧膩子填平，修復至表面平整。內角（段差、起拱等）要用環(huán)氧膩子填補，使之平順。在殘缺修補中使用環(huán)氧膩子時(shí)，要在氣溫-5℃以上， 相對濕度RH<85%的條件下施工。膩子涂刮后，表面仍存在的凹凸糙紋，應再用砂紙打磨平整。

5.4粘貼碳纖維片

粘貼碳纖維片之前，首先應確認粘貼表面干燥。氣溫在-10℃以下，相對濕度RH＞85%時(shí)，如無(wú)有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過(guò)程中，嚴禁受到彎折。因此，貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規定尺寸切斷碳纖維片，每段長(cháng)度一般以不超過(guò)6m為宜。要使用更長(cháng)的片材時(shí)，除精心防止彎折外，對脫泡、滲浸過(guò)程要加倍認真操作。為防止片材在保管過(guò)程損壞，片材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。該部位應多涂樹(shù)脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點(diǎn)如下。

①粘貼樹(shù)脂的主劑、固化催促劑和固化劑應按規定的比例稱(chēng)量準確，裝入容器，添加次序同涂底層涂料, 用攪拌器攪拌均勻。一次調和量應以在可使用時(shí)間內用完為準。

②貼片時(shí)，在碳纖維片和樹(shù)脂之間盡量不要有空氣�？捎昧_拉（專(zhuān)用工具）沿著(zhù)纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹(shù)脂滲浸入碳纖維中。

③需粘貼2層以上碳纖維片時(shí)，重復第4.5.5步聚，并遵守4.4.3的規定。

5.5養護

粘貼碳纖維片后，需自然養護1-2小時(shí)達到初期固化，應保證固化期間不受外界干擾和碰撞。

5.6涂裝

若加固補強構件需要防火時(shí)， 可在樹(shù)脂固化后涂刷耐火涂層。涂裝應在樹(shù)脂初期固化后進(jìn)行，并應遵守所用涂料的相關(guān)標準和施工規定。

五、施工工法

①改性環(huán)氧樹(shù)脂使用的碳纖維片材應使用經(jīng)緯編織交叉型。改性環(huán)氧樹(shù)脂在-10~35℃的溫度范圍內可以通過(guò)調節固化劑、固化促進(jìn)劑的量進(jìn)行使用。樹(shù)脂、固化劑、固化促進(jìn)劑的計量必須使用計量器，計量器精度為±1g。標準添加量參考「固化劑、固化促進(jìn)劑標準使用量」見(jiàn)表5

②混合的順序是：先計量樹(shù)脂，然后添加固化促進(jìn)劑攪拌1~3分鐘，再后添加固化劑攪拌1~3分鐘。嚴禁同時(shí)添加固化劑和固化促進(jìn)劑進(jìn)行混合。

③固化劑（及固化促進(jìn)劑）的添加量為應充分考慮施工溫度及混凝土主體溫度后決定。

④應注意，冬季的混凝土主體溫度有時(shí)比作業(yè)場(chǎng)所的溫度低，這時(shí)固化時(shí)間會(huì )變長(cháng)。主體溫度低時(shí)，如果增加固化劑、固化促進(jìn)劑，會(huì )使樹(shù)脂的可使用時(shí)間變得非常短。

⑤標準使用量的膠凝化時(shí)間設定為：底涂：30~40分鐘，膩子：40~50分鐘，浸滲粘接樹(shù)脂：50~60分鐘。膠凝化時(shí)間一超過(guò)，就會(huì )發(fā)生急劇的固化，不能再進(jìn)行使用，所以可使用時(shí)間應比凝化時(shí)間短10分鐘。

⑥樹(shù)脂的混合量應在可使用時(shí)間內用完。特別是在進(jìn)行浸滲粘接樹(shù)脂的施工時(shí)，應考慮浸滲時(shí)間再決定混合量。

⑦改性環(huán)氧樹(shù)脂的燃點(diǎn)比一般的環(huán)氧樹(shù)脂要低，應充分注意防火。改性環(huán)氧樹(shù)脂由于空氣中的氧化作用表面的固化受到抑制， 有發(fā)粘的感覺(jué)。在最終層的浸滲粘接樹(shù)脂（上涂、或下涂）中添加蠟劑，以提高表面的固化性。

⑧樹(shù)脂類(lèi)在高溫下會(huì )逐漸發(fā)生膠凝化，應避免日光直射，在陰冷處進(jìn)行保管。

為了確保施工質(zhì)量，對固化劑、施工溫度、基層處理等的要求強調以下。

7.1固化劑

①底涂和膩子的固化劑，與浸滲粘接樹(shù)脂的固化劑不同，使用時(shí)應分清用途，不得用錯。

②固化劑中含有有機過(guò)氧化物，應避免使用鐵、銅、黃銅等金屬制品，應使用玻璃、鋁、不銹鋼等材料的容器。

③固化劑不得與胺類(lèi)、強酸、強堿、還原性物質(zhì)接觸。

④液狀的固化劑、固化促進(jìn)劑應使用專(zhuān)用的計量容器通過(guò)容量（ml）進(jìn)行計量。

7.2施工溫度

日光直射混凝土表面和陰面的溫度與氣溫往往不同，應根據主體的溫度決定固化劑的添加量。另外，冬季混凝土主體的溫度往往比氣溫低，需注意。

7.3結露（露水）

①由于降雨或結露留下的水分會(huì )影響底涂及浸滲粘接樹(shù)脂的粘結，如果是雨天或結露時(shí)，應停止施工。

②固化的樹(shù)脂如果沾上水分，會(huì )影響下面一層樹(shù)脂的粘接性，所以要用棉紗擦干凈表面的水分。如果發(fā)生浸水，應進(jìn)行止水、引水處理。

7.4基層處理


①涂飾、彈性封閉材等會(huì )造成粘接不良，應予清除。

②為防止棱角部分經(jīng)碳纖維片修復后，結構混凝土強度達不到設計要求時(shí)，施工前應用砂輪等對棱角進(jìn)行打磨R=30mm以上。

③用聚合水泥（SBR、EVA系等）進(jìn)行斷面修補時(shí)，可能會(huì )造成改性環(huán)氧樹(shù)脂的固化不良、粘結不良。這時(shí)，應事先在部分施工面上涂刷底涂，確認固化性和粘結性。

④混凝土主體上的小孔由于溫度變化等會(huì )排出混凝土內部的空氣及水分，造成空鼓隆起，所以施工時(shí)應盡量用底涂或膩子掩埋小孔。

⑤碳纖維補強時(shí)，根據施工面的狀態(tài)進(jìn)行裝飾�；炷�土主體的模板段差、凹凸部分不易貼牢纖維片，容易發(fā)生隆起，應進(jìn)行平整修補，打磨使混凝土的段差保持在1mm以?xún)取?br/>
7. 5底涂、膩子、浸滲粘接樹(shù)脂的使用

①底涂、膩子、滲浸粘接樹(shù)脂絕對不得使用稀料等有機溶劑進(jìn)行稀釋。用稀料等溶劑進(jìn)行稀釋后，固化樹(shù)脂的物理性能會(huì )降低，不能獲得預定的強度。

②主劑、固化劑混合后，應嚴格遵守可使用時(shí)間，如果出現膠凝化的前兆應立即停止使用。

③樹(shù)脂類(lèi)應按照法規保管在沒(méi)有明火的地方。另外，不要與固化劑靠近存放。

7. 6碳纖維片的使用

對推薦使用的經(jīng)緯編織型（交叉型）碳纖維片的使用應小心謹慎。裁剪后應卷成小卷，防止褶皺。粘貼時(shí)，應沿纖維方向留出20cm以上的接頭。保管纖維片時(shí)，應避免日光直射及雨水、灰塵等的侵襲。

7.7施工細節

①基層處理

·用砂輪等清除掉混凝土表面的污垢及浮漿。（全面打磨）

·棱角處應認真打磨，進(jìn)行削角。削角半徑為3cm以上。

②清掃

·用吹風(fēng)機或棉紗等清除掉打磨時(shí)產(chǎn)生的塵土、垃圾等。如用水清洗時(shí)應使基層充分干燥。

③刷底涂

·主劑（QVP-3000WK）和固化促進(jìn)劑（QVA-2000K）混合均勻后，再與固化劑（QVC-2000K）進(jìn)行混合。固化劑與固化促進(jìn)劑的添加量根據設定溫度進(jìn)行調整（參照標準使用量一覽表）。

·為提高與主體的粘接性， 施工面采用滾筒或毛刷進(jìn)行涂刷。

·涂量為0.15kg/m2 。

④刮膩子

·主劑（QVL-2000WK）和固化劑（QVC-2000K）進(jìn)行混合。固化劑的添加量（根據施工溫度有時(shí)也要添加固化促進(jìn)劑）根據設定溫度進(jìn)行調整（參照標準使用量一覽表）。

·在確認底涂初期固化（1~2小時(shí)）后，為提高與主體的粘接性，施工面采用滾筒或毛刷進(jìn)行涂刷。

·涂量為0.15kg/ m2 。

⑤貼碳纖維片

·混合浸滲粘接樹(shù)脂的主劑（QVR-1000WK）和固化劑（QVC-1000K）固化劑的的添加量（根據施工溫度有時(shí)還要添加固化促進(jìn)劑）根據溫度進(jìn)行調整（參照標準使用量一覽表）

·確認膩子的初期固化（1~2小時(shí)）后，進(jìn)行浸滲粘接樹(shù)脂的下涂（REPLARK20：0.4kg/m2、REPLARK30：0.5kg/m2）,然后粘貼碳纖維片（REPLARK20、30型），進(jìn)行浸滲脫泡，爾后再進(jìn)行上涂（REPLARK：0.2kg/m2、REPLARK30：0.3kg/m2）。下涂樹(shù)脂初期固化前進(jìn)行上涂。

·為提高上涂樹(shù)脂的表面固化性，在最終層添加蠟劑。

⑥表面裝飾

·確認浸滲粘接樹(shù)脂初期固化后，進(jìn)行表面裝飾（涂飾、抹灰等）。

7.8質(zhì)量要求

①所有進(jìn)場(chǎng)材料，包括碳纖維片材料和膠結材料，必須符合質(zhì)量標準，并具有出廠(chǎng)產(chǎn)品合格證，符合本工程加固補強設計要求同時(shí)，也應考慮溫度、濕度等因素，方可保證工程質(zhì)量。

②碳纖維片材在運輸、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(zhì)量，由工長(cháng)負責指導、監督，第一道工序完成后督促操作小組自檢，確認合格，提請技術(shù)員檢查、認可后，才能進(jìn)行下道工序，否則必須返修至合格為止。貼片前、后，還要由技術(shù)員請業(yè)主代表或監理人員檢查，作貼片數量與質(zhì)量的簽認，　不貼片的部位，最后一道工序也要由業(yè)主代表或監理人員簽認。

④結構物表面處理（詳見(jiàn)前敘）

⑤涂底層涂料

涂料應涂刷均勻、不得漏涂，嚴禁使用不適合氣溫條件，超過(guò)可使用時(shí)間或添加溶劑稀釋的涂料。

溫度低于7℃，相對濕度RH＜85%，混凝土表面含水率在8%以下，無(wú)結露現象時(shí)，必須使用改性環(huán)氧樹(shù)脂。

⑥構件表面殘缺修補

構造物表面小孔、內角必須用環(huán)氧膩子修補平整，膩子涂刮后，表面仍存在的不平糙紋，應再用砂紙磨平。

⑦貼碳纖維片


⑧貼碳纖維片時(shí)須符合下述條件：

a.碳纖維片材應按規定裁切。

b.氣溫、空氣濕度、構件表面含水率等符合要求。

c.底層涂料及膩子達到指觸干燥（樹(shù)脂表面達到固化硬結）。

d.粘結樹(shù)脂的類(lèi)型與施工時(shí)的氣溫適合，主劑和固化劑、固化促進(jìn)劑應按規定的比例稱(chēng)量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻，一次調和量應以在使用時(shí)間內用完為準。

⑨碳纖維片粘貼的質(zhì)量檢驗標準。

a.下涂和上涂滲浸入碳纖維束良好。

b.碳纖維片粘結嚴實(shí)。

c.對于直徑在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少于10個(gè)可認為合格；若每平方米在10個(gè)以上，則認為不合格，需進(jìn)行補修。對于直徑在30mm以上的空鼓，只要出現，即認為不合格，需進(jìn)行補修。

d.順纖維方向搭接長(cháng)度不小于20cm,各層之間的搭接部位不得位于同一條直線(xiàn)上，層間必須錯開(kāi)至少50cm.

e.碳纖維片材規格，貼片位置、長(cháng)度、寬度、纖維方向、層數符合規定。

⑩養護嚴格遵守自然養護的時(shí)間要求。

六、工程實(shí)例

北京市某橋碳纖維加固維修工程，該橋橫跨某河，主體結構為三跨9.5m+22m+9.5m ∏型簡(jiǎn)支梁，全長(cháng)41m。橋墩，為打入式樁基礎，其樁為35×40cm砼方樁，#1、#2墩各有52根樁,上結墩帽，從墩帽底至系梁頂高6m。于2001年10月23日開(kāi)始對該橋的梁和樁柱進(jìn)行粘貼碳纖維加固。

選南端第一排西起第八根墩柱，采用快速固化/低溫用改性樹(shù)脂與原常用樹(shù)脂作柱的修復補強工藝性能比較，柱的尺寸：400mm×350mm，高度6100mm，粘貼方案：從柱頂一米以下開(kāi)始粘貼碳纖維，第一層縱貼（300mm×200mm），第二層做250@150×10環(huán)包， 下端在一米范圍內滿(mǎn)包。2001年11月27日，到現場(chǎng)做試驗，試驗的墩 柱未予圍護，室外溫度0℃，（其余的圍護起來(lái)，圍護9℃）上午10:00開(kāi)始做環(huán)氧底涂，稱(chēng)量主劑以后加入固化催進(jìn)劑，攪拌均勻，再加固化劑，攪拌之后，明顯感覺(jué)到它的流動(dòng)性比較好，很均勻的涂刷在砼構件表面，至11:30底涂已經(jīng)滲透固化可做下道工序（以前的底涂材料需要在15℃養護5小時(shí)，而現在1-2小時(shí)即可，底涂材料的可使時(shí)間在20-30分）。11:45開(kāi)始刮膩子。膩子在-5℃才開(kāi)始添加固化催進(jìn)劑，而且隨不同的溫度，添加的數量是不同的。12:00刮膩子工序完畢。14:00膩子已經(jīng)指觸干燥，（原來(lái)的環(huán)氧膩子在15℃，需要6小時(shí)的固化時(shí)間，現在是1-2小時(shí)，膩子的可使時(shí)間30-40分。）開(kāi)始粘貼碳纖維，稱(chēng)量主劑后加入固化催進(jìn)劑，攪拌均勻添加固化劑，攪拌后，樹(shù)脂的流動(dòng)性很好，下涂時(shí)，伸直碳纖維，然后從一端開(kāi)始粘貼，用刮板刮平拉至另一端，尤其在構件的角部， 碳纖維不回縮，很易粘貼，同時(shí)也未出現空鼓現象。用羅拉滾軋2-3遍后，即可看到碳纖維表面滲透的樹(shù)脂，滲透很充分，15:30粘貼完畢，在做最外層的上涂時(shí)樹(shù)脂里面添加上光蠟，使粘貼的表面均勻，色澤一致，樹(shù)脂的可使用時(shí)間為40-50分。從整個(gè)過(guò)程我們可以看出：容易控制空鼓的數量，加快固化速度，縮短工期。

快速固化/低溫用改性樹(shù)脂的不足之處：1.防火方面，我們知道碳纖維是在幾千度的高溫下經(jīng)過(guò)特殊工藝制成的，但環(huán)氧樹(shù)脂的耐火性不強（260℃）。目前的方法在碳纖維外面刷防火涂料或外掛放火板材。2.裝飾方面，根據不同的工程，甲方的要求不同（外裝），目前只是在外面涂刷摻膠的水泥漿，效果不理想。3.改性環(huán)氧樹(shù)脂必須與經(jīng)緯編織型（交叉型）碳纖維配套使用。這三方面的問(wèn)題有待繼續完善。

注意事項：

1） 凝膠化時(shí)間過(guò)后會(huì )發(fā)生急劇固化，不能再使用，所以可使用時(shí)間應設定為比凝膠化時(shí)間短10分鐘。

2） 固化劑和固化促進(jìn)劑不要直接進(jìn)行混合。主劑（樹(shù)脂）應先與固化促進(jìn)劑均勻混合后，再添加固化劑均勻混合。