碳纤维加固的应用

第一篇：碳纤维加固的应用

碳纤维加固分析

碳纤维加固混凝土的弹塑性分析 黄兴 王国体

摘要：

1. 碳纤维复合材料是航空、汽车、运动器材等众多领域广泛应用的材料之一。由于具有优异性能。碳纤维单向布与配套树脂材料已是加固钢筋混凝土结构的新材料、新工艺。本文简单介绍了钢筋混凝土有限元分析的研究现状，碳纤维加固混凝土技术的发展概况，讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。 2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元LINK8 。

3.在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去，用ANSYS进行模拟并对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。 关键词：混凝土 加固 有限元

Carbon fiber reinforcement concrete ball plasticity analysis Abstract：

1. The carbon fiber is compound with the aviation, the automobile，the movement equipment and so on one of multitudinous domain widespread application materials. Because has the outstanding performance. The carbon fiber unidirectional cloth and the necessary resin material already were reinforces the reinforced concrete structure the new material, the new craft. This article simply introduced the present situation of the reinforced concrete finite element analysis research, the carbon fiber reinforcement concrete technology development survey; discussed the coagulation of the material ball plasticity and the construction relations. Introduced several kinds of common useful models to simulate the concrete.

2. In the determination finite element, in the model foundation, in detail introduced in ANSYS specially uses in to simulate the concrete or the steel bar stick congeals the texture of soil Solid65 unit as well as steel bar unit LINK8

3. In infinite element analysis which puts up the main beam to the steel bar coagulation, through eliminates or add the carbon fiber ,carries on the simulation with ANSYS, thus carries on the comparison to the test result, the confirmation carbon fiber to the concrete reinforcement function Key word: Concrete reinforcement finite element

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1 钢筋混凝土有限元分析的意义

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种物理—力学完全不同的材料所组成的结构材料。钢筋混凝土结构由于强度高、可模性好、造价低等优点，在我国建筑业中被广泛使用，公共建筑及绝大部分高层建筑均为钢筋混凝上结构。

由于钢筋混凝土材料性能的特殊性和复杂性，对于钢筋混凝土的试验研究存在着许多复杂的因素，主要包括: (1)钢筋混凝土结构是由两种材料组成:钢筋和混凝土。

(2)混凝土本身主要是由山水、砂石骨料和水泥复合而成。在混凝土硬化以后，在混凝土中仍然有自由水和孔隙，甚至还有未水化的水泥粒，并不可避免的形成数条多微裂缝。混凝土的应力应变关系是非线性的，且受很多因素影响。在复杂应力条件下，混凝土本构方程仍然是一个需要深入研究的问题。

(3)在荷载作用下，一般钢筋混凝土结构是带裂缝工作的。混凝土的裂缝随荷载的增加而不断发展。

(4)混凝土的变形是与时间有关的，如收缩和徐变。

(5)钢筋和混凝土之间的粘结关系非常复杂，如何模拟粘结关系也需进一步研究。

(6)钢筋本的非弹性性能。

考虑到这些复杂因素，要精确分析一个钢筋混凝土结构从加载到破坏的全过程是十分困难的。长期以来，钢筋混凝土结构的分析主要靠试验和经验公式，而且主要是针对杆件结构。对于复杂的混凝土结构要么用模型试验，要么用弹性理论，对某些结构一般是用极限平衡理论求得其承载力。

随着电了计算机的出现和混凝土本构关系研究的深入，钢筋混凝土结构有限元分析方法得到了迅速的发展。在钢筋混凝土结构的分析中运用有限元分析可以提供大量结构反应信息，诸如结构位移、应力、应变的变化，混凝土压屈，钢筋流动，粘结滑移，破坏荷载等等，这对研究钢筋混凝土结构的性能，改进工程设计都有重要的意义。

2钢筋混凝土有限元分析的研究现状

最早用有限元法分析钢筋混凝上梁的学者是 Ngo和Scordelis。他们于1967年在ACI杂志上发表了一篇有关这一内容的论文们在研究中，主要还是基于线弹性理论，但是他们根据试验结果，将钢筋和混凝土划分为三角形单元，按平面

3 应力问题和线弹性理论分析钢筋和混凝土应力，针对钢筋混凝土结构的特点，在钢筋和混凝土之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一定刚度的粘结弹簧，从而可以分析粘结应力的变化情况：反映混凝土的开裂特性，提出了离散裂缝 (discrete cracks)形式，即在梁中预先设置裂缝，裂缝的两边用不同的节点，裂缝间也附加了特殊的无几何尺寸的连接弹簧，以模拟混凝土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销栓作用。这一研究获得了很大的成功，引起了巨大的反响。自此以后，许多学者在这一领域研究，发表了大量研究成果。

1968年Nilsson发展了Ngo等人的工作，将钢筋与混凝土非线性粘结关系和混凝土本身的非线性应力应变关系引入有限元分析，当钢筋开裂后就重新划分网格，把裂缝置于单元边界处Frankin于1970年首先引入“弥散裂缝”的方法，将钢筋分布在混凝土单元中，假定钢筋与混凝土间有效连接并可以自动跟踪裂缝的发展。这一方法为有限元分析实际钢筋混凝土结构提供了有力工具，获得了广泛应用。有些研究中还用拉伸强化 (tension stiffening)概念，以考虑裂缝之间混凝土对受拉的贡献。由于弥散裂缝模式计算相对简单并具有较好的精度，这一模式己被应用于平面应力、平面应变、板弯曲、壳体、轴对称和三维实体问题之中。1969年已有学者用分层法来建立钢筋混凝土梁的弯曲单元稍后Lin和Scordelis将分层法用于板壳单元等弯曲构件，假定每一个混凝土堆安全壳、存储容器和海洋石油平台等大型混凝土结构的非线性分析中。这一阶段的研究和应用都取得了很大的进展，但总的来说，不管是理论研究还是工程应用，都比较粗糙，处于探索阶段。

1977-1985年，在这个阶段中，研究工作主要可分为两个方面。一方面是继续在单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论、裂缝的模拟和拉伸强度、骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究。另一方面是系统性的总结和交流工作，美国土木工程协会组织了一个20人的委员会，花了八年时间，总结和分析了钢筋混凝土结构有限元结构分析领域的大量研究资料和信息，在 1982午 5月发表了长达 545页的综述报告，内容涉及本构关系和破坏理论、钢筋模拟及粘结的表示、混凝土开裂、剪力传递、时间效应、动力分析、数值算例和应用;还在附录中发表了钢筋混凝土结构非线性的有限元程序。在这一时期，欧洲和亚洲的一些学者也在钢筋混凝土结构的有限元分析方面进行了大量的研究工作，1987年7月在联邦德国召开了“钢筋混凝土空间结构非线性性能”的国际会议;1981年，国际桥梁与结构工程协会在荷兰召开了 “高等混凝土力学”的国际会议;1984年，在前南斯拉夫召开了 “混凝土结构的计算机辅助分析与设计”国际会议。同时，日本学者的研究工作在起步较晚的情况下很快的发展到了应用阶段，并且与试验的结合方面取得了很大的进展。

1985年到现在，处在混凝土的本构关系的表达和试验研究方面继续进行更深入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实用方向发展，努力把现有的分析方法和工程设计结合起来。同时，研究的领域也进一步扩展到动力、冲击荷载下的非线性分析，分析模型和材料参数成为预测钢筋混凝土结构在动力和冲击荷载下性能的研究热点;高强混凝土和受约束混凝土结构的非线性有限元分析也受到了重视;材料非线性、几何非线性以及时间因素的综合考虑也融入了钢筋混凝土结构非线性有限元分析。在混凝土结构中，与时间因素有关的效应包括荷载、预应力、环境因素以及随时间推移而变化的徐变、收缩、老化、热效应和预应力筋的松弛等。在这一时期中，我国在钢筋混凝土结构非线性有限

4 元分析的大部分领域开展了研究工作，取得了很大发展。我国虽然没有专门召开过钢筋混凝土非线性有限元分析方面的会议，但这方面的研究工作在计算力学、结构工程、地震工程等全国性的学术会议中有所反映，也出版了钢筋混凝土结构非线性有限元分析方面的专著，反映了我国在这一方面的研究成果。

目前可以说钢筋混凝土的有限元分析己经到了相当实用的阶段。欧洲混凝土委员会 1990年的混凝土模式规范已经将混凝土有限元方法纳入其有关条文。 我国钢筋混凝土结构也在附录中写入了有关有限元分析的条文。其主要用途如下：

a)用于重大结构，如核电站的安全壳、海上采油平台、大型水利工程结构的静力分析，尤其是动力分析，具有及其重要的意义。既可以检验设计，又可以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。

b)用于结构或构件的全过程分析，对结构或构件的性能及其实际的极限荷载有更深入、正确的了解，能揭示出结构的薄弱环节，能对其可靠性做出正确的评价。

c)辅助试验进行参数设计。

3.ANSYS在钢筋混凝土有限元分析中的运用

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的新一代大型有限元分析程序，它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，能高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性、模态分析、谐波响应分析、瞬态动力分析、断裂力学等问题。它拥有完善的前后处理和强大的数据接口，因而是计算机辅助设计 (CAE)和工程数值分析和模拟最有效的软件之一。

4碳纤维加固技术的发展概况。

碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究下作开始于80年代的美、日等发达国家。自80年代末至今，日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、研究机构、材料生产厂家等都相继进行了大量碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开发，并在此基础上己编制形成了自己国家的行业标准和规范。日本的阪神大地震后，很多工程就是用碳纤维材料加固修补的。建筑物的抗震加固技术在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用。碳纤维材料在土木工程领域的应用已非常广泛，概括起来主要有以下几种途径：

(1)在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土，用于新建结构。 (2)长丝制成束状 (棒材)在现浇混凝土中代替钢筋用土新建结构。

(3)将碳纤维制成织物(片材)>VI贴到混凝土表面用于结构的补强和加固。

5 从目前国内外的发展情况看，碳纤维材料应用于建筑业的研究开发活动正 呈积极活跃的态势。中国拥有巨大的建筑市场，大量的钢筋混凝土结构急需补强以优化设计;既有经济价值，又有研究价值。

5今后的研究内容

1.讨论了混凝土材料的弹塑性本构关系，介绍了常见的可以用来模拟混凝土的几种模型。

2.在确定有限元模型的基础上，详细介绍了ANSYS中专门用于模拟混凝土或钢筋棍凝土结构的Solid65单元以及钢筋单元Link8。

3. 在对钢筋混凝土梁的有限元分析中，通过对碳纤维布的添加和消去用ANSYS进行模拟，从而对试验结果进行比较，验证碳纤维对混凝土的加固作用。

钢筋混凝土材料的性质非常复杂:(1)在多轴应力状态下的非线性应力—应变特性;(2)应力软化和各向异性弹性劣化:(3)拉伸应力或应变引起的逐步开裂;(4)钢筋和混凝土的粘结滑移，骨料的连锁作用，钢筋的铆合作用;5)有如徐变、收缩与时间相关的特性。因此，如何提出一个能描述在所有情况下混凝土特性都合适的本构模型是非常困难的一项工作。本章将简要介绍混凝土材料的本构关系。

参考书目：

1.王勖成 有限单元法 清华大学出版社 2003.7 2.祝效华 余志祥 ANSYS高级工程有限元分析范例精选 电子工业出版社 2004.10 3.小飒工作室 最新经典ANSYS及Workbench教程 电子工业出版社 2004.6 4.ANSYS理论手册

5.ANSYS非线性分析指南

6.卢哲安 陈涛 弹纤维加固钢筋混凝土板非线形有限元分析 中国科技论文在线 7.江见鲸 陆新征 钢筋混凝土有限元 清华大学研究生精品课程

8.周岑 孙利民 钢筋混凝土结构弹塑性分析在 ANSYS中的实现 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 2000.9.2

第二篇：砼构件裂缝碳纤维布加固

混凝土构件加固修理

施工技术方案

A 、碳纤维加固施工方案

1、材料准备

按现场实际要求精确计算出本工程所需碳纤维及配套结构胶数量(加5%损耗)。

(1)、碳纤维规格：重量300g/m

2、厚度0.167mm单向碳纤维布(性能指标符合设计规范要求)

(2)、结构胶：碳纤维配套专用结构胶(性能指标符合设计规范要求)

2、主要施工设备

(1)、搅拌器两台：现场用来搅拌碳纤维结构胶。 (2)、台秤两台：主要用来按产品说明比例配制结构胶。 (3)、125型角磨机二十台：主要用来打磨混凝土。

3、碳纤维施工步骤 (1)、施工步骤

定位弹线→混凝土基层打磨处理→混凝土表面清理→涂刷底胶→找平胶找平→涂侵渍胶→粘贴碳纤维→涂刷面胶→表面保护 (2)、工艺要点

(1)定位弹线：按现场实际情况，准确找出碳纤维粘贴位置，并做

出标记。

(2)基层处理：用混凝土角磨机、金刚石磨片等工具，清理混凝土表面的浮浆、油污等杂质，构件基面的混凝土要打磨平整，尤其是表面的突出部位要抹平，转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径大于20mm，混凝土表明清理干净并保持干燥。

(3)表面擦洗：用棉布粘乙醇擦拭表面，将混凝土表面浮灰擦洗干净。

(4)涂刷底胶：按固定比例称量准确甲乙组分，置于容器中搅拌均匀。用毛刷将胶均匀涂抹于混凝土构件表面，厚度不超过0.4mm，并不得漏刷或有流淌、气泡等。胶固化后(固化时间视现场气温而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时)，再进行下一道工序。 (5)找平胶料找平：混凝土表面凹陷部位应用刮刀谦刮整平，胶料修补填平，模板接头等出现高度差的部位应用整平胶料填补，尽量减少高度。胶料需固化后(固化时间视现场温度而定，以手指触感干燥为宜，一般不小于2小时)，方可再进行下一道工序。

(6)、贴碳纤维部：按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布，配制、搅拌粘浸胶，然后均匀涂抹于所粘贴部位，在搭接、拐角部位适当多涂抹一些。用劈刀磙子在碳纤维布表面沿同一方向反复滚压至粘浸胶渗出碳纤维布外表面，以挤出气泡，使碳纤维布充分浸润胶料。多层粘贴应重复以上步骤，待纤维表面指触感干燥为宜，方可进行下一层碳纤维布的粘贴。最后一层碳纤维布的外表面均匀涂抹一层粘浸胶料。 (7)涂刮面胶：在最后一层碳纤维外面均匀涂刷一层侵渍胶。

(8)表面保护

B、砼外观蜂窝、麻面整改方案

一、原因分析

在施工过程中发现地道剪力墙局部出现蜂窝、露筋、交接缝漏浆等现象，对出现该现象进行原因分析：

(1)、泥水班组责任心不强、技术人员质量意识不足; (2)、部分新旧砼交接处未采取先灌注素水泥浆或砂浆的措施。

为确保地道剪力墙混凝土结构质量及防水功能，特制定本方案，请严格遵照实施。

二、处理措施

1、准备工作

(1)、对前期砼墙面已处理的部位逐一进行凿除;

(2)、联系好砼供应商采用其提供的防水砂浆、C35防水细石砼配合比及水泥、砂石、膨胀剂等进行配置。

2、剪力墙砼缺陷处理方法

(1)、对麻面气泡深度在10mm内，凿除周边松散石子，用水冲洗干净，先用纯水泥浆满刷表面2~3道，再用防水砂浆用力压抹平，待砂浆初凝后，表面用水泥粉掺白水泥(比例1：:1)反复涂擦两遍。

(2)对剪力墙表面的蜂窝、孔洞，先用冲击钻凿除掉松散石子，应凿除至密实的混凝土层，用水清洗干净，然后用纯水泥浆满刷孔洞内壁2~3遍，再用C35防水细石混凝土抹压直至与砼面齐平，覆盖养护2~3天后，表面用水泥粉掺白水泥(比例1：:1)反复涂抹两遍。

3、水平施工缝漏振处理

沿水平施工缝两侧，弹两条灰线，灰线与漏振位置平行，宽度略宽(宽度与5cm为宜)，然后小心将两条灰线内部分混凝土凿除，凿至坚硬密实的混凝土位置，用水清洗干净，然后用纯水泥浆(掺加水泥基渗透结晶型防水涂料)满刷内壁2~3遍，再用C35防水细石混凝土抹压直至与砼面齐平，覆盖养护2~3天后，表面用水泥粉掺白水泥(比例1：:1)反复涂抹两遍。

4、地下室顶板上层表面砼浇筑不密实处理方法

对地下室顶部位最上一层外模板进行拆除，用电锤凿除表面松散砼。凿除必须凿至坚硬的混凝土层，用强力吹风机及高压水枪冲洗干净;然后用纯水泥浆满刷孔洞内壁2~3遍，再用C35防水细石混凝土抹压直至与砼面齐平，覆盖养护2~3天后，表面用水泥粉掺白水泥(比例1：:1)反复涂抹两遍

三、注意事项

1、C35防水细石混凝土外加膨胀剂，其用量严格按膨胀剂规定掺量要求进行掺加操作。

2、在缺陷处整改后12h即进行养护工作。养护时间不少于7天，掺膨胀剂的细石混凝土养护时间不少于14天。

第三篇：楼板裂缝修复及碳纤维加固施工方案

前言：

现浇板底裂缝，为了防止板内钢筋锈蚀，须对出现裂缝的板进行裂缝灌浆处理，拟对已产生裂缝部位进行碳纤维加固。

一、工程概况

工程名称：西安高新创汇社区F区

工程地点： 西安市锦业二路与上林苑一路交汇处

二、编制依据

1、《混凝土结构加固的设计规范》GB50367-2007。

2、相关厂家的配套产品说明。

3、国家省、市有关法规。

三、主要材料：

灌浆树脂、封缝胶 、碳纤维布。

1、裂缝灌浆工作原理介绍:

原理方法是利用机械的高压动力(高压灌注机)，将环氧树脂胶灌浆材料注入混凝土裂缝中，当树脂胶到混凝土裂缝固化、膨胀、固结，这样固结的树脂胶体填充混凝土所有裂缝，以达到裂缝修补效果。

2、施工步骤：

搭设施工脚手架——观测裂缝——基层处理——确定注入口———安装注射点——配灌浆树脂——安设灌浆器——灌浆——拆除灌浆器——清洗灌浆器——基层复原。

3、施工机具：

① 强力吹风机(清理裂缝);② 600ml量杯(配树脂胶);③ 4cm宽开刀、小刮板(配封缝胶);④SL-500高压灌注机;⑤ 酒精、棉丝(清洗灌浆器);⑥ 手提打磨机(打磨封缝胶清理基层)。

4、注意事项：

① 施工前必须将抹灰层剔除干净，露出结构面; ② 施工时一定要保证裂缝干燥，切忌用水冲刷裂缝; ③ 注入口尽量设置在裂缝较宽，开口较通畅的位置; ④ 如使用底压灌浆封口胶要现配现用，每次配量不宜过多; ⑤ 仰面注胶施工时必须佩戴防护镜;

⑥ 灌浆结束后用酒精浸泡并清洗灌浆器，以便下次使用，切不可用其他稀料清洗。

四、碳纤维加固

1加固建议

本工程中出现的裂缝处于楼板位置，初步鉴定裂缝是由冬季施工时，混凝土在低温条件下凝结时间延缓，从结构安全角度考虑，对未贯通的裂缝，以及贯通的裂缝在灌浆结束后须在楼板裂缝部粘贴碳纤维布进行加固，在裂缝分布范围200mm宽度沿受力方向贴碳纤维布一层，沿裂缝方向碳纤维布边缘贴100mm宽碳纤维压条一道;对已贯通的裂缝，在下部裂缝分布范围200mm宽度沿受力方向贴碳纤维布一层，进行加固。 2碳纤维布加固介绍 《混凝土结构加固设计规范》代替,其编号为GB 50367-2006. 使用碳纤维加固技术是采用配套粘结树脂将碳纤维布粘贴于混凝土表面，形成一个新的复合体使增强贴片与原有钢筋混凝土共同受力。增大结构的抗拉或抗剪能力，提高强度。抗裂性和结构的延性，和抗震加固的作用。

3碳纤维加固施工工艺简介

1、施工顺序：

混凝土基底处理——涂底层底胶——找平胶找平——贴碳纤维片——养护

2、施工方法： (1)、混凝土基底处理

1.1将楼板底部表面的障碍物清除。

1.2检查外露钢筋是否锈蚀，如有锈蚀，进行必要处理。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原。

1.3被粘贴混凝土表面应打磨平整，除表面浮层、油污等杂质，直至露出结构新面，转角处粘贴要进行倒角处理，并打磨成圆弧状，圆弧半径不小于20mm，将混凝土表面内丙酮擦拭一遍，保持混凝土表面干燥。

(2)、涂底层底胶：

2.1、把底胶的主剂和固化剂按规定比例称量准确后放入容器内，用搅拌器合均匀。一次调和量应以在可使用时间内用完为准。 2.

2、在底胶中严禁添加溶剂。含有溶剂的毛刷或用溶剂弄湿了的滚筒不得使用。

2.3、用滚筒刷均匀地涂抹底胶。

2.4、指触干燥时间因气温不同，一般在3小时到1天之间变化。 2.

5、底胶固化后，在表面上有凸起部分时，要用砂纸磨光。 (3)、找平胶找平：

3.1、底胶涂刷后，混凝土表面不平处用找平胶找平。 (4)、贴碳纤维片

4.1、确认粘贴表面干燥。气温50C以下，相对湿度RH>85%时，如无有效措时不得施工。

4.2、防止碳纤维受损，碳纤维片在运输、储存、裁切和粘贴过程中，严禁受到弯折。因此，贴片前应用钢直尺与壁纸刀按规定尺寸切断碳纤维片，每段长度一般以不超过6m为宜。要使用更长的片材时，除精心防止弯折外，对脱泡(即赶出气泡)、渗浸过程必须加位谨慎操作。为防止片材在保管过程中损坏，片材的裁切数量应按当天的用量为准。 4.

3、碳纤维向接头必须搭接15cm以上，该部位应多涂粘结树脂，碳纤维横向不需要搭接。

4.4、粘接树脂的主剂和固化剂应按规定的比例称量准确，装入容器，用搅拌器搅拌均匀。一次调和量应以在可使用用完为准。 4.

5、贴片前用滚筒刷均匀地涂抹粘结树脂，称为下涂。下涂的涂量标准如下。

200g/m2的碳纤维片，400-500g/m2 300g/m2在碳纤维布，500-600 g/m2 4.6、贴片时，在碳纤维片和树脂之间尽量不要有空气。可用罗拉(专用工具)沿着纤维方向在碳纤维片上滚压多次，使树脂浸入碳纤维中。 4.

7、碳纤维片施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘结树脂，称为上涂。上涂涂量标准如下：

200g/m2在碳纤维片，200-100 g/m2 300g/m2在碳纤维布，300-200 g/m2 4.8、进行空鼓检查，并进行处理。

4.9、须粘2层以上碳纤维布时，重复4.5-4.8步骤，并遵守4.3的规定。 (5)、养护

5.1粘贴碳纤维片后，需自然养护24小进达到初期固化，应保证固化期间不受干扰。

5.2、在每道工序以后树脂固化之前，宜用塑料薄膜等遮挡以防止风沙或雨水侵袭。

5.3、当树脂固化期间存在气温降低到50C以下的可能时，可采用低温固化树脂，或采取有效的升温措施。

5.4、碳纤维片粘贴后，要达到设计强度，需自然养护，在此期间应防止贴片受到硬性冲击。

第四篇：粘帖纤维布加固工艺

粘贴碳纤维布施工工艺

1、混凝土表面处理

(1)按上述要求对混凝土剥落、钢筋锈蚀、裂缝处理完毕

(2)使用角磨机等电动工具将表面突出、不平整的表面磨平，对有纤维布包边的棱角磨成半径不小于20mm的圆滑弧行面。表面打磨后，再用强力吹风机将表面粉尘彻底清除，表面清理干净后并保持干燥。

施工前对粘贴部位混凝土的表层含水率及所处环境温度进行测量，测量结果均满足含水率<4%和环境温度>5℃。按设计图纸，在加固部位放线定位，误差满足设计和相应规范要求。

2、涂刷FH-Tpr底胶

底胶与面胶不同，其内应含有与有机物及无机物均能亲和的功能键，能渗入混凝土内部一定深度。

FH-Tpr底胶

配合比A：B=2：1(FH-Tpr底胶：

A主剂无色液体，B固化剂红色透明液体)

(1)根据标准用量，按底胶规定的比例把底胶主剂和固化剂置于配胶容器中搅拌均匀。

(2)已配好的底胶如超过使用期后决不能使用。

(3)在底胶中严禁添加任何溶剂。

(4)用毛刷均匀、无遗漏地将底胶涂在需补强的混凝土表面，底胶涂布面边界应不小于所粘贴的碳纤维布大小。

(5)施工部位的温度应不低于5℃或高于40℃，相对湿度应小于70%，如遇雨天混凝土表面结雾或有水分，应将潮湿部位表面处理至干燥后方可施工。

(6)等底胶凝胶至指触干燥后，如发现表面有突起毛刺，应用砂布打磨光顺，注意不能将底胶层打磨穿。如有打磨穿的局部应重复操作步骤。

3、修整找平层

构件表面凹陷使碳纤维布粘贴不严密而造成起鼓，同时碳纤维出现局部弯曲，降低了其加固效果，采用找平胶(腻子)找平。

FH-Tpu找平胶

配合比A：B=2：1(FH-Tpu找平胶：A主剂为乳白色膏状体，B固化剂为灰色膏状)

(1)配制FH-Tpu找平胶。

(2)混凝土表面凹陷、段差、起拱等部位用找平胶填补平顺，不能有楞角。

(3)找平胶涂刮后，对表层凹凸糙纹用砂纸打磨整平。

(4)待找平胶表面指触干燥时即进行下一步工序施工。

4、涂刷浸渍胶

FH-Tre浸渍胶

配合比A：B=2：1(FH-Tre浸渍胶：A主剂为乳白色膏状体，B固化剂为深兰色液体)

配制浸渍胶时有专人按照配比和工艺进行，搅拌均匀无起泡产生为止，并防止灰尘等杂质混入。根据粘接树脂的标准用量，计算出所涂布面积的需用量，视现场气温等实际情况，确保在规定时间内一次用完。

5、粘贴碳纤维

(1)裁剪碳纤维布

a、碳纤维布的裁剪数量应保证能在当天用完。

b、碳纤维布一定要做好防潮处理。

c、弯折碳纤维布一律不得使用。

(2)根据粘接胶的标准用量，按粘接胶使用说明规定的比例粘接胶主剂和固化剂置于配胶容器中搅拌均匀。

(3)用毛刷均匀地将粘接胶涂在选定的混凝土表面，粘接胶涂布面应不小于所粘贴的碳纤维布大小。

(4)在已涂好粘接胶的混凝土表面铺覆碳纤维布，碳纤维布的铺覆方向符合设计要求，一层中各张布之间的搭接应在纤维方向进行，并且搭接宽度应不小于20cm。

(5)用专用胶辊或刮板在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并向一个方向或从中间向两个方向滚动碾压(不允许来回反复滚动)，使树脂胶液充分侵渍碳纤维布，形成复合材料，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接。严禁交叉垂直于碳纤维方向滚动碾压施工，以免出现折丝弯丝现象。

(6)横向碳纤维粘贴，应在纵向纤维表面粘结胶固化至指触干燥后方可进行下一层碳纤维布的铺覆。

将裁剪好的碳纤维布卷成桶状，由一端向另一端粘贴。先用刮刀沿着纤维方向刮压，再用罗拉沿着纤维方向滚压。禁止刮刀、罗拉在纤维横向赶压。

6、涂刷面胶(用FH-Tre浸渍胶)

用滚筒刷在碳纤维表面均匀涂抹面胶，使碳纤维充分被浸润。涂刷后罗拉沿纤维方向滚压2-3次，使纤维内部浸透粘结胶，但不得将已粘好的碳纤维布卷起。多层粘贴时重复上述步骤。

7外观检查的病害

8缺陷修补方法

(1)空鼓修补：注入粘结树脂，切割回填树脂，补贴碳纤维。

(2)褶皱、分散修补：补贴碳纤维。

(3)浸渍不充分修补：补涂面胶，补贴碳纤维。

9拉拔试验

根据规范要求，正拉粘接强度≥2.5MPa，且为混凝土内聚破坏

10养护

a、每处施工完成后，自然养护24小时内应确保不受外力硬性冲击。

b、每道工序过程中及时完工后，均应采取适当措施保证不受污染或雨水侵袭。

c、自然养护至达到设计要求需要5天左右。

8、碳纤维布粘贴的质量标准

(1)粘结胶浸润碳纤维布良好。

(2)碳纤维布粘贴密实与混凝土结合达到100%以上。

(3)碳纤维布方向不发生弯曲。

(4)顺纤维布方向搭接长度不小于20cm，各层之间的搭接部位不得位于同一条线上，必须错开至少50cm。

(5)碳纤维布规格、贴片位置、长度、宽度、纤维方向、层数符合设计规定。

11、粘贴碳纤维布施工验收要求

(1)在粘贴碳纤维布施工过程中，施工单位必须有工艺工序质量检验单，每一道工序必须达到设计要求和规范要求，经现场监理检验合格后，方可进入下一步工序，未经检验合格的施工工序，均不得进行下一步施工。

(2)纤维片材与混凝土结构之间的粘结质量，应用小捶轻轻敲击或手压碳纤维片材表面的方法来检查，总有效粘结面积应达到100%。

(3)所有产品都有产品合格证、产品质量出厂检验报告，进口产品有进口报关单，各项性能指标应符合国家技术规程要求。

(4)碳纤维片材实际粘结贴面积应不少于设计量，位置偏差应不大于10mm。

(5)业主和监理单位可对进场碳纤维片材和配套树脂类粘结材料进行现场取样检验。

(6)碳纤维片材加固混凝土结构粘结强度现场检测应符合规定。

10、

施工安全及注意事项

(1)碳纤维布为导电材料，使用碳纤维布材时应尽量远离电气设备及电源。

(2)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。

(3)树脂的配制和使用场所，应保持通风良好。

(4)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。

(5)各种胶结附在皮肤上，用肥皂水清洗。特别是进入眼内，立即用水清洗后接受医生诊治。

第五篇：碳纤维复合材料的发展及应用

—— 邳州高新区招商局 丁建队1.1 碳纤维材料的历史背景

碳纤维材料的发现和使用始于1860年斯旺制作碳丝灯泡,成为发明和使用碳纤维的第一人。之后爱迪生使用竹丝制作碳丝作为灯丝，达到了照明45小时的效果。20世纪90年代中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研究。1972年，日本用碳纤维材料制造鱼竿，美国使用碳纤维材料制造高尔夫球杆，碳纤维材料开始应用于日常生活。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维。其后，碳纤维材料趋向于高强度高弹性模量的方向发展。如今，碳纤维材料已经广泛应用于建筑、航空航天以及汽车制造行业。 1.2 碳纤维材料的特性简介

碳纤维材料是由碳元素构成的一种纤维材料，其在微观上呈类似人造石墨的乱层石墨结构。

碳纤维材料具有良好的物理化学性质。碳纤维密度小、质量轻，密度为1. 5~ 2 g /cm3，它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的七到九倍，其良好的比强度使得其被广泛应用于航空航天等对重量限制要求苛刻的领域。

其化学性质同样良好，具有耐腐蚀，耐疲劳，耐高温和低温，同时其具有良好的导电性，介于金属和非金属之间。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。[1] 2 碳纤维材料的种类及其发展

按碳纤维原丝不同主要可以分为:1.PAN基碳纤维;2.黏胶基碳纤维;3.沥青基碳纤维;4.酚醛基碳纤维。 2.1 PAN基碳纤维

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，并具有很强的抗压抗弯性能，一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前，PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。PAN基碳纤维应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛车、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。 2.2 黏胶基碳纤维

黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。黏胶基碳纤维的三维石墨结构不发达，导热系数小;石墨层间距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时，黏胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来，与生物的相容性极好，又可作为良好的环保和医用卫生材料。但是，由于生产黏胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条件苛刻，不适宜大批量生产，成本较高;另外，黏胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差，综合性能价格比在竞争中处于劣势，因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩，目前产量已不足世界碳纤维产量的l%。 2.3沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维，但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂，反而使其生产成本大大增加。此外，沥青基碳纤维抗压强度比较低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维，因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过，由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数，因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。 2.4酚醛基碳纤维

酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化，加工工艺简单，碳化时间短且温度低，碳化率高，且手感柔软，但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料，耐腐蚀电线，以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。

3 碳纤维增强型复合材料 [2]碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。

CFRP 是目前最先进的复合材料之一,它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。

CFRP 的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。 3.1 碳纤维树脂基复合材料及其应用

碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。

(1)具有高的比强度和比模量。CFRP 的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢(GFRP)还轻，使其比强度(强度/ 密度)是高强度钢、超硬铝、钛合金的4 倍左右，玻璃钢的2 倍左右;比模量(模量/密度)是它们的3 倍以上。

(2)耐疲劳。在静态下，CFRP 循环105 次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。

[3](3)热膨胀系数小。 (4)耐磨擦，抗磨损。

(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性主要取决于基体树脂。

(6)耐水性好。 (7)导电性好。 (8)射线透过性。

树脂基碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛用于航空航天，汽车制造等工业部门。美国空军的F系列战斗机中大量采用了碳纤维材料以减轻机身重量。在汽车方面，宝马公司采用了碳纤维材料来制造汽车车身。在能源领域，风力发电的风机叶片既需要足够的强度，又要有较小的密度，因而树脂型碳纤维复合材料是良好的选择。 3.2 碳纤维金属基复合材料及其应用

金属基复合材料一般都在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。在纤维增强金属中不能选用耐热性低的玻璃纤维和有机纤维，而主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。碳纤维是金属基复合材料中应用最广泛的增强材料碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。

[4]树脂基复合材料通常只能在350℃以下的不同温度范围内使用。近些年来正在迅速开发研究适用于350℃～1200℃使用的各种金属基复合材料。碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材料.碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能.金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等.其中，碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟.制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合过程中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降.目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。 3.3 碳纤维陶瓷基复合材料及其应用

碳纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-Cf)在克服陶瓷材料脆性的同时，发挥了其比强度高、高温性能优异等优点，同时还具有优良的力学性能、抗磨损性能和热传导性能，成为高温结构材料的研究热点。目前，CMC-Cf的基体相主要有炭、碳化硅、微晶玻璃以及多元多层复合材料等。碳纤维作为增强相，实现了复合材料的轻量化，并赋予其优异的力学性能。但碳纤维自身的抗氧化能力差，在温度高于400℃时，一旦与氧化介质接触，纤维将被氧化，性能迅速下降，进而影响

[5]复合材料整体性能，缩短使用寿命。因此，氧化问题成为限制CMC-Cf。性能提升与应用领域拓展的瓶颈。 4 碳纤维材料的发展现状及前景 4.1 国内外发展现状 4.1.1 国内发展现状

我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩,进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/ 年原丝、200t/ 年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

2009年，国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变，生产企业和投资基地都在不断增多，本行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比，我国目前的碳纤维生产能力(特别是高端产品)与国际水平还存在相当的差距：产能只占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，大量碳纤维产品仍靠进口，真正国产化还需要一个漫长的过程。

[6]中复神鹰自主研发的年产1000吨碳纤维生产线于2008年10月顺利投料生产，2009年产量达到550吨,产销量位居国内第一位,有效缓解了国内碳纤维的供应紧张局面;威海拓展纤维有限公司也于08年引进了一条年产1000吨碳纤维生产线并顺利投产。但与发达国家相比，我国碳纤维产业刚刚起步，在产量和高端产品品种上仍还远远不能满足国防和国民经济建设的需要。 4.1.2 国际发展现状

近几年随着先进复合材料的发展，碳纤维需求激增，引爆了近年来世界性的碳纤维危机，这场危机从2005年开始日趋明显，至2007年达到极点。自碳纤维危机爆发以来，各大碳纤维生产厂商急剧扩张，扩大产能，缓解了碳纤维紧缺的供应情况。2008年下半年爆发了世界金融危机，实体经济受影响颇深，碳纤维的需求也有所回落。尤其是2009年经济衰退陷入最低谷时，很多碳纤维制造商也推迟或放慢了自己的发展计划。但是进入2010年以来，随着经济危机的好转，全球碳纤维市场出现快速回暖的迹象。巨大需求刺激碳纤维市场回暖，因此对碳纤维的需求总体仍处上升趋势。目前世界碳纤维产量达到4万t/年以上，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需

[7]求量2018年将达到10万t。全世界主要的碳纤维生产厂商是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司, 美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA 三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业等少数单位。 4.2 未来发展前景

随着工业技术的迅速发展，在航空航天，车辆交通等领域，物件的强度和可靠性需要更多的提高，而重量也是一个重要的因素，因此碳纤维材料将越来越成为高强度材料领域内的主导。

然而，碳纤维材料的普及使用依然存在一些问题。首要问题是技术垄断问题，目前全世界范围内掌握碳纤维材料的制造和研发仅仅有美国和日本的少数几家公司，其他国家在碳纤维材料研究领域进展不明显。其次是碳纤维材料的适用范围有限。虽然碳纤维材料具有良好的物理化学性质，其高模量高比强度的性质优越，但是并非很多领域都需要用到这样的优良性质，仅仅是在航空航天和交通领域内应用和需求较多。最后一个问题是碳纤维的造价问题，目前碳纤维材料成本高昂，导致使用的范围缩小，难以普及，急需在生产方式上进行改进，来降低碳纤维材料的造价。另外生产碳纤维材料的高能耗和高排放对自然环境也造成了一定的影响。

[8]