工程案例
業(yè)務范圍
快速固化改性環(huán)氧樹脂在橋梁修復補強的應用
發(fā)布時間：2014-08-09
一、引言1、隨著我國經(jīng)濟建設和交通事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)有公路橋梁中有相當一部份由于當時設計荷載標準低，難以滿足當前重交通的需求，亟需進行維修、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使用年限，使其滿足交通量增長的需求，這一技術措施不僅是我國橋梁維修技術的創(chuàng)新，而且必將給國家?guī)盹@著的經(jīng)濟效益和社會效益。
碳纖維復合材料加固修補混凝土結構技術是一種新型的結構加固技術，它利用對混凝土有很強的滲透性和足夠的粘結強度的樹脂，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(jù)對日本、美國、瑞典等國家碳纖維生產(chǎn)和應用技術的考察，并結合我國國情，與國內(nèi)一些大專院校，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行了系統(tǒng)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。并在實踐中得到檢驗和受到業(yè)主及有關方面的好評。
目前，我國使用的樹脂適用溫度為5~35℃，而實際在施工中氣溫低于7℃，施工就難以保證工程質量，效果不佳。因為溫度低于7℃時，樹脂的流動性差、滲透性弱，固化時間長，從而導致施工不便。而對于我國長江以北地區(qū)每年有3~4月的時間，氣溫在-15℃~+5℃，也就是說如果沒有有效的圍護升溫措施是無法進行施工的。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發(fā)展的要求，最近引進一種“改性樹脂”，能在-10℃的條件下正常施工，且所有的技術指標均達到春、夏、秋用樹脂粘貼碳纖維的要求。
下列不同氣溫對樹脂的選擇和三種樹脂特性比較見表1、表2。
二、改性樹脂及其碳纖維的特點
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，并通過予張編制方法成型，形成單向排列以樹脂為基體的碳纖維復合材料，它具有極優(yōu)越的品質，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(shù)小以及施工簡捷，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。
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）,材質柔軟，樹脂的浸透性好，但比較松散，容易產(chǎn)生皺紋，它與改性樹脂配套適于冬季（5℃~-10℃）使用。詳見3、表4。
碳纖維片材的預浸樹脂含量由原來的4%降到0.2%有利于樹脂的滲透，同時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很脆很硬，在粘貼時混凝土構件的角部易回縮，造成空鼓。
常用環(huán)氧樹脂使用時，僅外摻主劑和固化劑，而改性環(huán)氧樹脂使用時，除外摻主劑與固化劑外，再加入一種固化催進劑。固化催進劑能加快固化反應速度，縮短固化反應時間（不同的溫度加入的固化催進劑數(shù)量不同，參見表3）。
改性樹脂在做最后一層上涂時，添加蠟劑，使上涂的表面看起來色澤均勻一致、比常用樹脂較美觀。
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)氧樹脂預浸成為復合增強片材（單向連續(xù)纖維）；用環(huán)氧樹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(yǎng)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部位。
②對經(jīng)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。縫寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)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、模板的段差等）打磨平整。修復后的段差盡量平順。
⑤清洗打磨過的構件表面，并使其充分干燥。
5. 2涂底層涂料。先稱量主劑，然后加入固化催進劑，攪拌均勻，1-3分鐘后再加入固化劑，攪拌均勻，涂刷。一次調(diào)和量應以在可使用時間內(nèi)用完為準。
①用滾筒刷均勻地涂刷底層涂料。
②指觸干燥時間因氣溫不同，一般氣溫在-10℃~15℃，指觸干燥時間在3小時到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，要點如下。
①膩子主劑、固化催進劑、固化劑按規(guī)定比例稱量準確，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(nèi)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，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，如無有效措施不得施工。為防止碳纖維受損，在碳纖維片運輸、儲存、裁切和粘貼過程中，嚴禁受到彎折。因此，貼片前應用鋼直尺與壁紙刀按規(guī)定尺寸切斷碳纖維片，每段長度一般以不超過6m為宜。要使用更長的片材時，除精心防止彎折外，對脫泡、滲浸過程要加倍認真操作。為防止片材在保管過程損壞，片材的裁切數(shù)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。該部位應多涂樹脂，碳纖維橫向不需要搭接。其施工工藝要點如下。
①粘貼樹脂的主劑、固化催促劑和固化劑應按規(guī)定的比例稱量準確，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(diào)和量應以在可使用時間內(nèi)用完為準。
②貼片時，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣。可用羅拉（專用工具）沿著纖維方向在碳纖維片上滾壓多次，使樹脂滲浸入碳纖維中。
③需粘貼2層以上碳纖維片時，重復第4.5.5步聚，并遵守4.4.3的規(guī)定。
5.5養(yǎng)護
粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)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。
5.6涂裝
若加固補強構件需要防火時， 可在樹脂固化后涂刷耐火涂層。涂裝應在樹脂初期固化后進行，并應遵守所用涂料的相關標準和施工規(guī)定。
五、施工工法
①改性環(huán)氧樹脂使用的碳纖維片材應使用經(jīng)緯編織交叉型。改性環(huán)氧樹脂在-10~35℃的溫度范圍內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)固化劑、固化促進劑的量進行使用。樹脂、固化劑、固化促進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、固化促進劑標準使用量」見表5
②混合的順序是：先計量樹脂，然后添加固化促進劑攪拌1~3分鐘，再后添加固化劑攪拌1~3分鐘。嚴禁同時添加固化劑和固化促進劑進行混合。
③固化劑（及固化促進劑）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比作業(yè)場所的溫度低，這時固化時間會變長。主體溫度低時，如果增加固化劑、固化促進劑，會使樹脂的可使用時間變得非常短。
⑤標準使用量的膠凝化時間設定為：底涂：30~40分鐘，膩子：40~50分鐘，浸滲粘接樹脂：50~60分鐘。膠凝化時間一超過，就會發(fā)生急劇的固化，不能再進行使用，所以可使用時間應比凝化時間短10分鐘。
⑥樹脂的混合量應在可使用時間內(nèi)用完。特別是在進行浸滲粘接樹脂的施工時，應考慮浸滲時間再決定混合量。
⑦改性環(huán)氧樹脂的燃點比一般的環(huán)氧樹脂要低，應充分注意防火。改性環(huán)氧樹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。在最終層的浸滲粘接樹脂（上涂、或下涂）中添加蠟劑，以提高表面的固化性。
⑧樹脂類在高溫下會逐漸發(fā)生膠凝化，應避免日光直射，在陰冷處進行保管。
為了確保施工質量，對固化劑、施工溫度、基層處理等的要求強調(diào)以下。
7.1固化劑
①底涂和膩子的固化劑，與浸滲粘接樹脂的固化劑不同，使用時應分清用途，不得用錯。
②固化劑中含有有機過氧化物，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、強酸、強堿、還原性物質接觸。
④液狀的固化劑、固化促進劑應使用專用的計量容器通過容量（ml）進行計量。
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(jù)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影響底涂及浸滲粘接樹脂的粘結，如果是雨天或結露時，應停止施工。
②固化的樹脂如果沾上水分，會影響下面一層樹脂的粘接性，所以要用棉紗擦干凈表面的水分。如果發(fā)生浸水，應進行止水、引水處理。
7.4基層處理
①涂飾、彈性封閉材等會造成粘接不良，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，施工前應用砂輪等對棱角進行打磨R=30mm以上。
③用聚合水泥（SBR、EVA系等）進行斷面修補時，可能會造成改性環(huán)氧樹脂的固化不良、粘結不良。這時，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排出混凝土內(nèi)部的空氣及水分，造成空鼓隆起，所以施工時應盡量用底涂或膩子掩埋小孔。
⑤碳纖維補強時，根據(jù)施工面的狀態(tài)進行裝飾。混凝土主體的模板段差、凹凸部分不易貼牢纖維片，容易發(fā)生隆起，應進行平整修補，打磨使混凝土的段差保持在1mm以內(nèi)。
7. 5底涂、膩子、浸滲粘接樹脂的使用
①底涂、膩子、滲浸粘接樹脂絕對不得使用稀料等有機溶劑進行稀釋。用稀料等溶劑進行稀釋后，固化樹脂的物理性能會降低，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間，如果出現(xiàn)膠凝化的前兆應立即停止使用。
③樹脂類應按照法規(guī)保管在沒有明火的地方。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，應沿纖維方向留出20cm以上的接頭。保管纖維片時，應避免日光直射及雨水、灰塵等的侵襲。
7.7施工細節(jié)
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，進行削角。削角半徑為3cm以上。
②清掃
·用吹風機或棉紗等清除掉打磨時產(chǎn)生的塵土、垃圾等。如用水清洗時應使基層充分干燥。
③刷底涂
·主劑（QVP-3000WK）和固化促進劑（QVA-2000K）混合均勻后，再與固化劑（QVC-2000K）進行混合。固化劑與固化促進劑的添加量根據(jù)設定溫度進行調(diào)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行涂刷。
·涂量為0.15kg/m2 。
④刮膩子
·主劑（QVL-2000WK）和固化劑（QVC-2000K）進行混合。固化劑的添加量（根據(jù)施工溫度有時也要添加固化促進劑）根據(jù)設定溫度進行調(diào)整（參照標準使用量一覽表）。
·在確認底涂初期固化（1~2小時）后，為提高與主體的粘接性，施工面采用滾筒或毛刷進行涂刷。
·涂量為0.15kg/ m2 。
⑤貼碳纖維片
·混合浸滲粘接樹脂的主劑（QVR-1000WK）和固化劑（QVC-1000K）固化劑的的添加量（根據(jù)施工溫度有時還要添加固化促進劑）根據(jù)溫度進行調(diào)整（參照標準使用量一覽表）
·確認膩子的初期固化（1~2小時）后，進行浸滲粘接樹脂的下涂（REPLARK20：0.4kg/m2、REPLARK30：0.5kg/m2）,然后粘貼碳纖維片（REPLARK20、30型），進行浸滲脫泡，爾后再進行上涂（REPLARK：0.2kg/m2、REPLARK30：0.3kg/m2）。下涂樹脂初期固化前進行上涂。
·為提高上涂樹脂的表面固化性，在最終層添加蠟劑。
⑥表面裝飾
·確認浸滲粘接樹脂初期固化后，進行表面裝飾（涂飾、抹灰等）。
7.8質量要求
①所有進場材料，包括碳纖維片材料和膠結材料，必須符合質量標準，并具有出廠產(chǎn)品合格證，符合本工程加固補強設計要求同時，也應考慮溫度、濕度等因素，方可保證工程質量。
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各工序的施工質量，由工長負責指導、監(jiān)督，第一道工序完成后督促操作小組自檢，確認合格，提請技術員檢查、認可后，才能進行下道工序，否則必須返修至合格為止。貼片前、后，還要由技術員請業(yè)主代表或監(jiān)理人員檢查，作貼片數(shù)量與質量的簽認， 不貼片的部位，最后一道工序也要由業(yè)主代表或監(jiān)理人員簽認。
④結構物表面處理（詳見前敘）
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，超過可使用時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，無結露現(xiàn)象時，必須使用改性環(huán)氧樹脂。
⑥構件表面殘缺修補
構造物表面小孔、內(nèi)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貼碳纖維片時須符合下述條件：
a.碳纖維片材應按規(guī)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(guī)定的比例稱量準確，裝入容器，用攪拌器攪拌均勻，一次調(diào)和量應以在使用時間內(nèi)用完為準。
⑨碳纖維片粘貼的質量檢驗標準。
a.下涂和上涂滲浸入碳纖維束良好。
b.碳纖維片粘結嚴實。
c.對于直徑在10mm以上30mm以下的空鼓，每平方米少于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。對于直徑在30mm以上的空鼓，只要出現(xiàn)，即認為不合格，需進行補修。
d.順纖維方向搭接長度不小于20cm,各層之間的搭接部位不得位于同一條直線上，層間必須錯開至少50cm.
e.碳纖維片材規(guī)格，貼片位置、長度、寬度、纖維方向、層數(shù)符合規(guī)定。
⑩養(yǎng)護嚴格遵守自然養(yǎng)護的時間要求。
六、工程實例
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 ∏型簡支梁，全長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日開始對該橋的梁和樁柱進行粘貼碳纖維加固。
選南端第一排西起第八根墩柱，采用快速固化/低溫用改性樹脂與原常用樹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(nèi)滿包。2001年11月27日，到現(xiàn)場做試驗，試驗的墩 柱未予圍護，室外溫度0℃，（其余的圍護起來，圍護9℃）上午10:00開始做環(huán)氧底涂，稱量主劑以后加入固化催進劑，攪拌均勻，再加固化劑，攪拌之后，明顯感覺到它的流動性比較好，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(yǎng)護5小時，而現(xiàn)在1-2小時即可，底涂材料的可使時間在20-30分）。11:45開始刮膩子。膩子在-5℃才開始添加固化催進劑，而且隨不同的溫度，添加的數(shù)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，（原來的環(huán)氧膩子在15℃，需要6小時的固化時間，現(xiàn)在是1-2小時，膩子的可使時間30-40分。）開始粘貼碳纖維，稱量主劑后加入固化催進劑，攪拌均勻添加固化劑，攪拌后，樹脂的流動性很好，下涂時，伸直碳纖維，然后從一端開始粘貼，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，同時也未出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。用羅拉滾軋2-3遍后，即可看到碳纖維表面滲透的樹脂，滲透很充分，15:30粘貼完畢，在做最外層的上涂時樹脂里面添加上光蠟，使粘貼的表面均勻，色澤一致，樹脂的可使用時間為40-50分。從整個過程我們可以看出：容易控制空鼓的數(shù)量，加快固化速度，縮短工期。
快速固化/低溫用改性樹脂的不足之處：1.防火方面，我們知道碳纖維是在幾千度的高溫下經(jīng)過特殊工藝制成的，但環(huán)氧樹脂的耐火性不強（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(jù)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。這三方面的問題有待繼續(xù)完善。
注意事項：
1） 凝膠化時間過后會發(fā)生急劇固化，不能再使用，所以可使用時間應設定為比凝膠化時間短10分鐘。
2） 固化劑和固化促進劑不要直接進行混合。主劑（樹脂）應先與固化促進劑均勻混合后，再添加固化劑均勻混合。
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