CN112282413B - 一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法，沿原结构构件的表面依次设置碳纤维加固层、密封隔热层和阻燃层，碳纤维加固层依次包括结构底胶、碳纤维阻燃浸渍胶和碳纤维布，密封隔热层依次包括隔热膏、成膜剂和气凝胶毡；阻燃层依次包括自粘防火包带和厚质防火涂料。本发明利用碳纤维粘贴操作简单方便的优点，能够有效缩减施工工期且加固效果良好；设置的密封隔热层导热系数低，阻燃层耐火时间长；操作简单、施工方便、附着性强；具有显著的经济效益和广阔的应用前景。

Description

一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法

技术领域

本发明属于既有建(构)筑物加固与防火技术领域，具体涉及一种用于既有结构的复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法。

背景技术

我国既有建(构)筑物面积已突破700亿平方米，由于受到环境腐蚀、老版规范安全度水准低等因素的影响，其中很大一部分已无法满足延续使用或功能改造的需要，同时伴随着锈蚀、裂缝、变形超限等种种问题，对既有建(构)筑物进行补强加固已成为土木工程领域的一个重要分支，且具有巨大的经济效益和社会效益。

近些年来，碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质高强、抗疲劳、施工方便等方面的优点，在民用建筑、工业建筑、桥梁、海岸工程、地下工程等结构加固中得到广泛应用。其常用方法是使用结构浸渍胶将碳纤维片材粘贴在结构构件的受拉表面，或者包裹住受压构件，从而实现对既有结构进行补强加固，提高其承载力和变形能力。

然而，碳纤维加固混凝土结构的耐火性与耐高温性能极差，采用粘贴碳纤维加固修复既有结构，长期使用环境温度不应高于60℃。众所周知，碳纤维片材与原结构的有效粘结是碳纤维加固技术的关键，由于环氧树脂胶粘剂多为环氧类有机物，在温度超过其玻璃化温度时将发生软化或分解，丧失传递纤维间剪力和防止纤维屈曲的作用；而且碳纤维片材与原结构的热膨胀系数差异显著，频繁的热循环将导致界面损伤累积，降低加固层寿命，有研究发现，在经历400分钟的0～50℃热循环作用后，碳纤维加固钢材的粘结强度降低达30％。此外，碳纤维材料本身不具有足够的防火能力，在有氧情况下，温度高于400℃时,碳纤维即发生明显氧化，燃烧并释放有毒烟雾。因此，无任何防火隔热保护措施的碳纤维加固结构将很难满足防火要求，更无法直接用于高温环境下(如工业环境)的结构加固与补强。当面临火灾或高温时，碳纤维加固层将迅速脱落，失去加固效果，结构将面临失效或倒塌风险，造成巨大的安全隐患。

目前针对碳纤维加固混凝土或钢结构的耐火、耐高温性能已开展了部分研究工作，但并没有形成相关规范或规程指导实际工程应用。现有技术并没有把结构加固后的防火隔热处理作为重点。在现有的加固结构中，由于规程缺乏可操作性，多数仅仅在碳纤维表面粉刷一层砂浆，难以保证防火要求和高温条件下的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法，有效提升结构服役性能的同时，提高碳纤维加固体系的耐火极限和耐高温性能，延缓火灾蔓延及高温下的加固性能劣化，为人员撤离和灭火赢得充足时间，解决火灾或高温条件下提升既有结构安全性与长效保持其加固性能的技术难题。

本发明采用以下技术方案：

一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，沿原结构构件的表面依次设置碳纤维加固层、密封隔热层和阻燃层，碳纤维加固层依次包括结构底胶、碳纤维阻燃浸渍胶和碳纤维布，密封隔热层依次包括隔热膏、成膜剂和气凝胶毡；阻燃层依次包括自粘防火包带和厚质防火涂料。

具体的，碳纤维阻燃浸渍胶中掺入有氮、磷系阻燃剂，掺入量为20％～30％。

具体的，按质量份数计，隔热膏包括：环氧树脂胶粘剂100份、纳米氧化锌粉20～30份、贝壳粉15～20份、碳化物气凝胶5～15份、稀土添加剂10～15份、稀土粘结剂2～3份和玻璃纤维0.1～0.5份。

进一步的，纳米氧化锌粉的粒度为20～50nm；气凝胶颗粒的粒度为1～3μm，孔隙率为80％～90％；贝壳粉粒度大于325目。

具体的，成膜剂为有机硅改性丙烯酸树脂。

具体的，气凝胶毡为纳米二氧化硅气凝胶与玻璃纤维棉复合柔性保温毡，厚度为6～10mm，导热系数小于0.025W/(m·K)。

具体的，自粘防火包带的厚度为0.4～0.7mm。

具体的，厚质防火涂料为不含石棉、甲醛及苯类等挥发性有害物质的环保型防火涂料，厚质防火涂料的厚度为7～45mm。

本发明的另一个技术方案是，一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系的施工方法，包括以下步骤：

S1、对原结构构件的表面进行处理；

S2、在步骤S1处理后的构件表面均匀涂抹结构底胶；

S3、步骤S2涂抹的结构底胶表面指触干燥后，在构件的表面均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶，将碳纤维布压贴于粘贴部位，顺纤维方向将碳纤维布表面刮平，使浸渍胶充分浸透碳纤维布；

S4、步骤S3粘贴结束后，在碳纤维布的表面再次均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶；

S5、待步骤S4碳纤维阻燃浸渍胶指触干燥后，将隔热膏均匀涂覆在结构表面，用量为500～1000g/m²；

S6、待步骤S5的隔热膏干燥后，在表面刷涂成膜剂，干燥后形成密封防水膜层；

S7、将气凝胶毡按30～50mm的搭接尺寸紧贴构件包覆，多层施工时采用逐层捆扎，采用同层错缝、内外层压缝方式敷设；

S8、沿构件方向缠绕自粘防火包带，缠绕时每层自搭接50％，每处有2层以上防火包带覆盖，并向施工作业面外延伸30～50cm；

S9、确定厚质防火涂料、涂刷次数与涂层厚度，待前一次干燥或固化后进行下一次涂刷，完成复层包覆碳纤维加固防火隔热体系施工。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，将碳纤维加固技术与复层包覆防火隔热理念相融合，既能够发挥碳纤维加固技术轻质高强、施工方便的优点，有效提高原结构的承载力与刚度，限制裂缝产生与发展；又能够将有机材料与无机材料相互结合形成复层包覆多重防火隔热体系，发挥各自优良的防火隔热效果，延缓火灾蔓延及高温下的碳纤维加固性能劣化，为人员撤离和灭火赢得充足时间，密封隔热层能够有效阻隔水分侵入并减少热量交换，有效降低火灾时加固层的温度，确保加固效果长效持久。

进一步的，采用碳纤维阻燃浸渍胶在经历火灾时，氮、磷系阻燃剂遇热分解产生强脱水剂，能够促使体系表面迅速脱水炭化，形成的致密炭化层可作为最后一道阻燃防线。

进一步的，隔热膏能够与碳纤维浸渍胶充分粘结，提高隔热层附着性，可涂敷于复杂形状构件、填充凹坑和缝隙，对施工条件要求低，固化时间快；隔热膏干燥后涂刷成膜剂，增强了对隔热膏和加固层的密封，一方面防止隔热膏因流失而影响隔热效果，又能有效防止水分进入加固层。

进一步的，纳米氧化锌粉的粒度为20nm～50nm，气凝胶颗粒的粒度为1～3μm，贝壳粉粒度大于325目，通过上述填料不同粒径的级配提高了其隔热效果和光反射率。

进一步的，成膜剂采用有机硅改性丙烯酸树脂，具有良好的物理机械性能，不易起泡和脱落，耐热和耐候性优。

进一步的，采用的气凝胶毡导热系数不高于0.025W/(m·K)，能够有效减少火灾下热量输入加固层。

进一步的，自粘防火包带能够将气凝胶毡固定于构件表面，操作极为方便且快速，同时自粘防火包带与厚质防火涂料具有长效阻燃功能，在一定程度上能够应对突发火灾，防止火灾向密封隔热层与加固层蔓延。

一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系施工方法，均采用粘贴、涂覆或喷涂的方式，不损坏原结构且不需要机械辅助，具有良好的施工宽容性和较强的附着性，可适用于不同构件形状的在役混凝土结构与钢结构。

综上所述，本发明利用碳纤维粘贴操作简单方便的优点，能够有效缩减施工工期，价格低；且加固效果好，设置的密封隔热层导热系数低，阻燃层耐火时间长；操作简单、施工方便、附着性强；具有显著的经济效益和广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明复层包覆碳纤维加固防火隔热体系的正立面图；

图2为本发明复层包覆碳纤维加固防火隔热体系的A-A截面图；

图3为本发明复层包覆碳纤维加固防火隔热体系背火面升温-时间曲线。

其中：0.原结构构件；1.结构底胶；2.碳纤维阻燃浸渍胶；3.碳纤维布；4.隔热膏；5.成膜剂；6.气凝胶毡；7.自粘防火包带；8.厚质防火涂料。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1和图2，本发明提供了一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，包括碳纤维加固层、密封隔热层和阻燃层，碳纤维加固层设置在原结构构件0的外部，碳纤维加固层的外部依次设置密封隔热层和阻燃层，碳纤维加固层包括结构底胶1、碳纤维阻燃浸渍胶2和碳纤维布3，密封隔热层包括隔热膏4、成膜剂5和气凝胶毡6，阻燃层包括自粘防火包带7和厚质防火涂料8；整个加固防火隔热体系沿结构表面向外依次分别为：结构底胶1、碳纤维阻燃浸渍胶2、碳纤维布3、隔热膏4、成膜剂5、气凝胶毡6、自粘防火包带7和厚质防火涂料8。

基本技术原理如下：

通过碳纤维阻燃浸渍胶2将碳纤维布3粘结于原结构构件0的表面，提升结构承载能力；碳纤维加固层外涂敷隔热膏4，固化后喷涂憎水成膜剂5，并绑扎气凝胶毡6组合形成密封隔热层，有效阻隔水分侵入并减少热量交换；然后在表面缠绕自粘防火包带7并喷涂厚质防火涂料8形成阻燃层，起到消除火灾隐患的作用。

碳纤维阻燃浸渍胶2在基础浸渍胶中掺入氮、磷系阻燃剂而制得，掺入量为20％～30％。

隔热膏4由以下质量分数的组分组成：环氧树脂胶粘剂100份、纳米氧化锌粉20～30份、贝壳粉15～20份、碳化物气凝胶5～15份、稀土添加剂10～15份、稀土粘结剂2～3份、玻璃纤维0.1～0.5份。

其中，纳米氧化锌的粉粒度为20～50nm；稀土添加剂中稀土元素掺杂的质量百分数大于0.3％；气凝胶颗粒粒度为1～3μm，孔隙率为80％～90％；贝壳的粉粒度大于325目；隔热膏4由以上成分按顺序依次加入并采用搅拌装置充分搅拌均匀后得到。

成膜剂5为有机硅改性丙烯酸树脂；隔热膏4干燥后喷涂成膜剂5形成较为致密的膜层，有效防止水分侵入，达到防水的效果。

气凝胶毡6为纳米二氧化硅气凝胶与玻璃纤维棉复合柔性保温毡，厚度为6～10mm，导热系数不高于0.025W/(m·K)。

自粘防火包带7为阻燃胶结料、阻燃剂、橡胶和粘接剂等材料复合而成，厚度为0.4～0.7mm。

厚质防火涂料8为不含石棉、甲醛及苯类等挥发性有害物质的环保型防火涂料，涂层厚度为7～45mm。

本发明设计理念适用于混凝土结构和钢结构等多种结构类型，可根据设计要求选用相应基础浸渍胶、碳纤维粘贴方式、自粘防火包带缠绕方式与厚质防火涂料。

本发明一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系施工方法，包括以下步骤：

S1、清除被加固构件表面涂层、疏松剥落杂质(如铁锈、混凝土碎屑等)，去除油污并保持干燥，对于混凝土构件表面的凹陷部位还应利用修补材料填补找平，转角处应打磨为光滑的圆弧状，半径为20～30mm；

S2、将结构底胶均匀涂抹于构件表面；

S3、在结构底胶表面指触干燥后，在构件表面均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶，将碳纤维布压贴于粘贴部位，并采用刮板顺纤维方向将碳纤维布表面刮平，去除气泡，使浸渍胶充分浸透碳纤维布；

S4、粘贴结束后，在碳纤维布表面再次均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶；

S5、可根据设计要求重复步骤S3和S4多次粘贴碳纤维布；

S6、在碳纤维阻燃浸渍胶指触干燥后，将制备好的隔热膏均匀涂覆在结构表面，用量为500～1000g/m²；

S7、隔热膏干燥后在表面刷涂成膜剂，干燥后形成密封防水膜层；

S8、将裁剪好的气凝胶毡以一定力度紧贴构件包覆，搭接尺寸为30～50mm，并采用镀锌钢丝固定，接缝处用气凝胶绝热毡薄片嵌填，多层施工时应逐层捆扎，采用同层错缝、内外层压缝方式敷设；

S9、沿构件方向缠绕自粘防火包带(竖向构件由下往上)，缠绕时每层自搭接50％，确保每处共有2层以上防火包带覆盖，并向施工作业面外延伸30～50cm，确保自粘防火包带与密封隔热层紧贴，并可根据防腐要求多次缠绕防蚀带；

S10、确定涂刷厚质防火涂料、涂刷次数与涂层厚度，注意在前一次干燥或固化后才可以进行下一次涂刷，直至达到要求厚度，完成复层包覆碳纤维加固防火隔热体系施工。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例采用Q235B钢管作为加固构件，试件外径为102mm，壁厚为4mm，长度为1500mm，钢材屈服强度为248MPa；采用碳纤维布厚度为0.17mm，抗拉强度为3960MPa。

实施例1

本实施例以工业高温环境受压钢管构件的加固防火隔热为例对本发明进行详细描述。

复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，包括碳纤维加固层、密封隔热层、阻燃层。碳纤维加固层包括结构底胶1、碳纤维阻燃浸渍胶2和碳纤维布3；密封隔热层包括隔热膏4、成膜剂5和气凝胶毡6；阻燃层包括自粘防火包带7和厚质防火涂料8。

在钢管构件表面粘贴碳纤维布能够有效提高构件承载力，密封隔热层能够有效阻隔水分侵入并减少热量交换，阻燃层则起到消除火灾隐患的作用。

具体实施方法如下：

1)对加固构件0进行清理，采用钢丝刷进行表面打磨，清除灰尘、剥落涂层与疏松锈层，去除油污并保持干燥；

2)采用滚筒刷在处理好的构件0表面均匀涂覆2道结构底胶；

3)在结构底胶表面指触干燥后，采用滚筒刷沿构件方向均匀滚涂阻燃碳纤维浸渍胶2，将碳纤维布3采用纵向粘贴方式压贴于构件表面，并采用刮板顺纤维方向将碳纤维布表面刮平，压除气泡，使碳纤维阻燃浸渍胶2充分浸透碳纤维布3；

4)粘贴结束后，在碳纤维布3表面再次均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶2；

5)重复步骤3)和4)，在构件中心1/2高度范围内环贴一层碳纤维布3；

6)在碳纤维布3表面的浸渍胶2指触干燥后，在表面均匀涂覆隔热膏4，用量为500g/m²,尽量使其表面平整；

7)待隔热膏固化后，在表面刷涂成膜剂，干燥后形成密封防水膜层；

8)将裁剪好的8mm厚气凝胶毡紧贴构件包覆，搭接尺寸为30mm，并采用镀锌钢丝捆扎固定，在构件长度方向上产生的接缝中嵌填气凝胶绝热毡薄片；

9)重复步骤8)，采用同层错缝、内外层压缝的方式再次敷设1层气凝胶毡；

10)沿构件方向缠绕0.7mm厚的自粘防火包带(竖向构件由下往上)，缠绕时每层自搭接50％，确保每处共有2层以上防火包带覆盖，并向施工作业面外延伸30cm，缠绕时确保自粘防火包带与密封隔热层紧贴；

11)采用喷涂方式涂装厚质防火涂料，涂层厚度为25mm。第一次喷涂3～5mm，干燥或固化后喷涂7～10mm，直至达到要求厚度。

实施例2

本实施例为验证本发明加固防火隔热体系的加固效果而设立。

按照实施例1中的方法对1个钢管构件进行加固防火隔热处理，另外1个钢管构件作为对照组。根据相关国家标准对上述2个钢管构件分别进行轴心受压试验，承载性能结果见表1。可以看出，采用本发明加固防火隔热方法可以使钢管构件极限承载力有效提升，提升幅度约12％。

表1实施例2和实施例3力学性能对比

实施例3

本实施例为验证本发明加固防火隔热体系的防火隔热效果而设立。按照实施例2中的方法对2个钢管构件进行加固防火隔热处理。按照相关标准对其中1个构件进行模拟火灾燃烧试验，表2为试验结果，图3为标准温升下复层包覆防火隔热层的背火面温升-时间曲线。由图3可见，阻燃层与密封隔热层在整个试验过程中起到了良好的隔热作用，浸渍树脂达到玻璃化温度升温时间为60～70分钟。从表2可见，在阻燃层的保护下，其整体燃烧性能指数可达到GB8624-2012中燃烧性能A2等级(燃烧增长速率指数FIGRA_0.4MJ≤120W/s，600s内总放热量THR_600s≤7.5MJ)。

表2实施例3燃烧性能

对另外1个构件进行持续40分钟的模拟火灾燃烧试验，并采用实施例3的方法进行轴心受压试验，承载性能结果见表1。可以看出，加固防火隔热处理的钢管构件经历40分钟燃烧后，其极限承载力下降不明显。说明本发明的防火隔热体系能够有效阻隔热量传入碳纤维加固层，延缓高温下的加固性能劣化，为人员撤离和灭火赢得充足时间。

综上所述，本发明一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系及其施工方法，适用于高温环境下既有结构工程，可根据设计要求选用相应基础浸渍胶、碳纤维粘贴方式、自粘防火包带缠绕方式与厚质防火涂料。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，其特征在于，沿原结构构件(0)的表面依次设置碳纤维加固层、密封隔热层和阻燃层，碳纤维加固层依次包括结构底胶(1)、碳纤维阻燃浸渍胶(2)和碳纤维布(3)，密封隔热层依次包括隔热膏(4)、成膜剂(5)和气凝胶毡(6)；阻燃层依次包括自粘防火包带(7)和厚质防火涂料(8)；

碳纤维阻燃浸渍胶(2)中掺入有氮、磷系阻燃剂，掺入量为20％～30％；

按质量份数计，隔热膏(4)包括：环氧树脂胶粘剂100份、纳米氧化锌粉20～30份、贝壳粉15～20份、碳化物气凝胶5～15份、稀土添加剂10～15份、稀土粘结剂2～3份和玻璃纤维0.1～0.5份；

成膜剂(5)为有机硅改性丙烯酸树脂；

气凝胶毡(6)为纳米二氧化硅气凝胶与玻璃纤维棉复合柔性保温毡，厚度为6～10mm，导热系数小于0.025W/(m·K)。

2.根据权利要求1所述的复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，其特征在于，纳米氧化锌粉的粒度为20～50nm；气凝胶颗粒的粒度为1～3μm，孔隙率为80％～90％；贝壳粉粒度大于325目。

3.根据权利要求1所述的复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，其特征在于，自粘防火包带(7)的厚度为0.4～0.7mm。

4.根据权利要求1所述的复层包覆碳纤维加固防火隔热体系，其特征在于，厚质防火涂料(8)为不含石棉、甲醛及苯类等挥发性有害物质的环保型防火涂料，厚质防火涂料(8)的厚度为7～45mm。

5.一种根据权利要求1所述复层包覆碳纤维加固防火隔热体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对原结构构件的表面进行处理；

S2、在步骤S1处理后的构件表面均匀涂抹结构底胶；

S3、步骤S2涂抹的结构底胶表面指触干燥后，在构件的表面均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶，将碳纤维布压贴于粘贴部位，顺纤维方向将碳纤维布表面刮平，使浸渍胶充分浸透碳纤维布；

S4、步骤S3粘贴结束后，在碳纤维布的表面再次均匀滚涂碳纤维阻燃浸渍胶；

S5、待步骤S4碳纤维阻燃浸渍胶指触干燥后，将隔热膏均匀涂覆在结构表面，用量为500～1000g/m²；

S6、待步骤S5的隔热膏干燥后，在表面刷涂成膜剂，干燥后形成密封防水膜层；

S7、将气凝胶毡按30～50mm的搭接尺寸紧贴构件包覆，多层施工时采用逐层捆扎，采用同层错缝、内外层压缝方式敷设；

S8、沿构件方向缠绕自粘防火包带，缠绕时每层自搭接50％，每处有2层以上防火包带覆盖，并向施工作业面外延伸30～50cm；

S9、确定厚质防火涂料、涂刷次数与涂层厚度，待前一次干燥或固化后进行下一次涂刷，完成复层包覆碳纤维加固防火隔热体系施工。

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