CN112282414A - 一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法，包括CFRP加固层，CFRP加固层设置在原结构构件的表面，包括结构底胶，浸渍胶和碳纤维布，CFRP加固层的外侧依次设置有PTC密封层，PTC密封层包括缓蚀剂，缓蚀剂均匀设置在CFRP加固层的外部，缓蚀剂外部缠绕设置有防蚀带，PTC密封层的外侧设置有缓冲层和防蚀保护罩。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PTC密封层防腐寿命长，而且操作简单、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

一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法

技术领域

本发明属于既有建(构)筑物加固与防腐技术领域，具体涉及一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法。

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。

碳纤维增强复合材料(CFRP)是继钢材、混凝土后在土木工程中得到成功应用的人造结构材料，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。在既有结构表面粘贴CFRP材料，可使其受力性能和变形得到明显改善，提高结构承载力。

CFRP加固层与原有结构的共同工作取决于二者之间的界面粘结性能，而将CFRP加固技术直接应用于腐蚀环境下(如工业与海洋环境)的结构加固与补强，将无法避免后续服役期内水分与腐蚀介质侵入界面而造成界面粘结力失效，使其面临与原结构保护层或防腐涂层失效同样的命运，难免陷入“损坏→修复→再损坏→再修复”的恶性循环。

因此，服役于腐蚀环境下的既有结构工程，在完成加固后需维持其加固效果，则必须依赖于腐蚀防护。然而现有的防腐技术却无法解决原结构安全性提升的难题。在既有结构加固与防腐领域，普遍存在加固与防腐各自为战的现象，要实现加固结构的持续安全服役，则必须将加固技术与防腐理念有机融合，提出一种能够同时实现既有结构安全性与耐久性提升的新型加固防腐技术。

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，提供一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法，解决腐蚀环境下既有结构安全性与耐久性双重提升的技术难题。

本发明采用以下技术方案：

一种碳纤维复层包覆加固防腐体系，包括CFRP加固层，CFRP加固层设置在原结构构件的表面，包括结构底胶，结构底胶设置在原结构构件的表面，结构底胶外部设置有碳纤维布，结构底胶与碳纤维布之间，以及碳纤维布的外部均设置有碳纤维浸渍胶，CFRP加固层的外侧依次设置有PTC密封层，PTC密封层包括缓蚀剂，缓蚀剂均匀设置在CFRP加固层的外部，缓蚀剂外部缠绕设置有防蚀带，PTC密封层的外侧设置有缓冲层和防蚀保护罩。

具体的，缓蚀剂为矿脂类缓蚀剂，防蚀带采用聚酯无纺布浸透矿脂类缓蚀剂后得到。

具体的，缓冲层包括聚酯无纺布，聚酯无纺布设置在PTC密封层的外部，聚酯无纺布外部设置胶粘剂形成阻隔边界，阻隔边界设置有聚乙烯发泡衬里。

进一步的，胶粘剂采用聚氨酯型胶粘剂。

具体的，缓冲层的外部设置有防蚀保护罩，防蚀保护罩包括不锈钢防护外罩，不锈钢防护外罩通过不锈钢防护外罩螺栓连接成整体，用于保护CFRP加固层和PTC密封层。

进一步的，不锈钢防护外罩的端部设置有支撑卡箍，支撑卡箍通过支撑卡箍螺栓将加固防腐体系与原结构构件固定连接。

本发明的另一个技术方案是，一种碳纤维复层包覆加固防腐体系的施工方法，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、待步骤S2涂抹的结构底胶干燥后，在构件表面均匀滚涂碳纤维浸渍胶，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；

S4、步骤S3粘贴结束后，在碳纤维布表面再次均匀滚涂碳纤维浸渍胶；

S5、待步骤S4碳纤维布表面干燥后，在碳纤维布表面均匀涂覆缓蚀剂5～10遍，用量为350～1000g/m²；

S6、沿构件方向缠绕防蚀带，防蚀带的缠绕次数大于等于2次，缠绕时每层自搭接50％，每处共有4层以上防蚀带覆盖，并向施工作业面外延伸10～20cm；

S7、沿构件方向缠绕聚酯无纺布，每层搭接50％，搭接处应与防蚀带错茬，然后在表面用毛刷均匀涂抹表层胶粘剂；

S8、安装支撑卡箍，使无纺布与不锈钢保护罩之间预留有3～5cm的空隙；

S9、在无纺布与不锈钢防护外罩之间的空隙中注入聚乙烯发泡剂形成缓冲层，完成碳纤维复层包覆加固防腐体系施工。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种碳纤维复层包覆加固防腐体系，将CFRP加固技术与复层包覆防腐理念相融合，既能够发挥CFRP加固技术轻质高强、施工方便等优点，有效提高原结构的承载力与刚度，限制裂缝产生与发展；又能够充分利用复层包覆防腐技术优良的密封与防腐效果，延缓结构老化；从而长期保持其加固效果，延长了服役寿命，实现结构安全性与耐久性双重提升；利用碳纤维轻质高强、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，可根据腐蚀环境、结构类型、加固效果等灵活选用浸渍胶，实现不同腐蚀环境下碳纤维布与在役结构之间的充分粘结；CFRP加固层外均匀涂抹缓蚀剂并采用防蚀带缠绕形成PTC密封层，可有效阻隔外界水分与腐蚀介质侵入。

进一步的，使用的矿脂类缓蚀剂能够充分润湿碳纤维浸渍胶表面，且具有提高防蚀带附着性的效果，可填充凹坑和缝隙，可带水施工，对施工条件要求低，防蚀带缠绕前不需要固化等待，节省施工时间。

进一步的，使用的聚乙烯发泡衬里施工方便，能够快速形成缓冲层，有效缓解外界冲击对CFRP加固层与PTC密封层的影响。

进一步的，采用的聚胺酯型胶粘剂耐水性强，可带水作业，配合聚酯无纺布可快速固化形成阻隔边界，便于注入聚乙烯发泡剂。

进一步的，不锈钢防护外罩具有较强的抗冲击、阻隔介质传递和防腐性能。

进一步的，使用支撑卡箍能将整个加固防腐体系与原结构固定在一起，起到支撑加固防腐体系的作用。

一种碳纤维复层包覆加固防腐体系的施工方法，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，具有较好的施工宽容性及适应性，施工条件要求低，整个体系具有极佳的附着性，可适用于不同腐蚀环境、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且加固效果良好；设置的PTC密封层防腐寿命长，而且操作简单、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为本发明碳纤维加固防腐体系的正立面图；

图2为本发明碳纤维加固防腐体系的A-A截面图。

其中：0.原结构构件；1.结构底胶；2.碳纤维浸渍胶；3.碳纤维布；4.缓蚀剂；5.防蚀带；6.聚酯无纺布；7.胶粘剂；8.聚乙烯发泡衬里；9.不锈钢防护外罩；10.不锈钢防护外罩螺栓；11.支撑卡箍；12.支撑卡箍螺栓。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种用于在役结构的碳纤维复层包覆加固防腐体系，包括CFRP加固层、PTC密封层、缓冲层与防蚀保护罩；CFRP加固层包括结构底胶1、碳纤维布3和碳纤维浸渍胶2；PTC密封层包括缓蚀剂4和防蚀带5；缓冲层包括聚酯无纺布6、胶粘剂7和聚乙烯发泡衬里8；防蚀保护罩包括不锈钢防护外罩9、支撑卡箍11、不锈钢防护外罩螺栓10和支撑卡箍螺栓12。

请参阅图1和图2，整个加固防腐体系沿原结构构件0的表面向外依次设置为：结构底胶1、碳纤维浸渍胶2、碳纤维布3、碳纤维浸渍胶2、缓蚀剂4、防蚀带5、聚酯无纺布6、胶粘剂7、聚乙烯发泡衬里8、不锈钢防护外罩9和支撑卡箍11；CFRP加固层和PTC密封层构成本发明加固防腐体系的内核。

通过碳纤维浸渍胶2将碳纤维布3粘结于原结构构件0的表面，确保二者协同受力，提升结构承载能力；CFRP加固层外均匀涂抹缓蚀剂4并采用防蚀带5缠绕形成PTC密封层，可有效阻隔外界水分与腐蚀介质侵入；聚酯无纺布6配合胶粘剂7迅速固化形成阻隔边界，注入聚乙烯发泡剂后形成缓冲层，能够有效缓解外界冲击对CFRP加固层和PTC密封层的扰动；不锈钢防护外罩9根据原结构构件0的形状或尺寸分割为多部分，通过不锈钢防护外罩螺栓10连接成整体，起到保护CFRP加固层和PTC密封层抵御外部机械损伤的作用；支撑卡箍11通过支撑卡箍螺栓12将整个加固防腐体系与原结构构件0固定在一起，起到支撑加固防腐体系的作用。

碳纤维浸渍胶2无明确限制，可根据腐蚀环境、结构类型、加固效果采用相应浸渍胶，例如海洋环境下的水下专用浸渍胶。

缓蚀剂4优先采用矿脂类缓蚀剂。

防蚀带5由聚酯无纺布浸透所述矿脂类缓蚀剂后得到。

胶粘剂7优先选用聚氨酯型胶粘剂。

本发明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浸渍胶、CFRP粘贴方式、防蚀带缠绕方式与不锈钢保护罩形状。

本发明一种碳纤维复层包覆加固防腐体系的施工方法，包括以下步骤：

S1、清除被加固的原结构构件表面涂层、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；

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浸渍胶；

S5、可根据设计要求重复步骤S3和步骤S4多次粘贴碳纤维布；

S6、在碳纤维布表面指触干燥后，在表面均匀涂覆缓蚀剂5～10遍，用量为350～1000g/m²；

S7、沿构件方向至少缠绕2次防蚀带(竖向构件由下往上)，缠绕时每层自搭接50％，确保每处共有4层以上防蚀带覆盖，并向施工作业面外延伸10～20cm,缠绕时应稍用力将夹杂气体排出，确保防蚀带与缓蚀剂紧贴在CFRP加固层表面，可根据防腐要求多次缠绕防蚀带；

S8、沿构件方向缠绕聚酯无纺布，每层搭接50％，搭接处应与防蚀带错茬，缠绕好无纺布后在表面用毛刷均匀涂抹表层胶粘剂；

S9、根据设计位置安装支撑卡箍，依次拧紧支撑卡箍和不锈钢防护外罩上的螺栓，要求无纺布与不锈钢保护罩之间预留3～5cm的空隙；

S10、在无纺布与不锈钢防护外罩之间的空隙中注入聚乙烯发泡剂形成缓冲层。

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

本实施例以海洋环境受压钢管构件的加固防腐为例对本发明进行详细描述。

在钢管构件表面粘贴碳纤维布形成的CFRP加固层能够有效提高构件承载力，缓蚀剂与防蚀带形成的PTC密封层能够有效阻隔外界水分与腐蚀介质侵入，聚酯无纺布与聚乙烯发泡衬里形成的缓冲层能够有效缓解外界冲击对加固防腐体系内核的扰动，不锈钢防护外罩能够有效抵御外部机械损伤作用，支撑卡箍通过螺栓将整个加固防腐体系与原结构固定在一起，有效支撑整个加固防腐体系。

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，在表面均匀涂覆缓蚀剂4，用量为500g/m²,尽量使其表面平整；

7)对经过以上三步处理好的构件缠绕防蚀带5，缠绕时稍用力拉伸防蚀带5使夹杂气体排出，确保防蚀带5与缓蚀剂4紧贴在CFRP加固层表面，缠绕时沿构件方向由下往上每层自搭接50％，确保每处共有2层防蚀带覆盖，并向施工作业面外延伸20cm,完成后重复上述过程再缠绕防蚀带1次。

8)沿构件方向由下往上缠绕聚酯无纺布6，每层自搭接50％，搭接处与防蚀带5错茬，完成后重复上述过程再缠绕聚酯无纺布1次。

9)缠绕完聚酯无纺布6后在表面用毛刷或滚筒刷均匀涂抹表层胶粘剂7，待固化后进入下一步骤。

10)在钢管构件上安装不锈钢防护外罩9与支撑卡箍11，依次将支撑卡箍固定螺栓12和不锈钢防护外罩固定螺栓10拧紧,二者尺寸均已预先进行设计，确保安装完毕后聚酯无纺布6与不锈钢防护外罩9之间预留5cm的空隙。

11)在聚酯无纺布6与不锈钢防护外罩9之间的预留空隙中注入聚乙烯发泡剂形成聚乙烯发泡衬里8。

实施例2

本实施例为验证本发明加固防腐体系的加固效果而设立。按照上述实施例1中的方法对1个钢管构件进行加固防腐处理，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，采用本发明加固防腐方法可以使钢管构件极限承载力有效提升，提升幅度大约12％。

实施例3

本实施例为验证本发明加固防腐体系的防腐效果而设立。按照上述实施例1中的方法对1个钢管构件进行加固防腐处理，而后采用盐雾箱对其进行盐雾加速腐蚀试验，箱内温度为35±1.0℃，NaCl溶液的质量分数为5％，pH为6.2～7.5。试验进行1000h后，将构件取出。采用实施例2的试验方法对上述钢管构件进行轴心受压试验，承载性能结果见表1。

表1实施例1和实施例2力学性能对比

可以看出，加固防腐处理的钢管构件经历1000h的盐雾腐蚀后，其极限承载力未发生退化。去除附着在构件表面的加固防腐层，发现钢构件表面未发生腐蚀现象，说明本发明的防腐体系能够阻止水分与腐蚀介质侵入CFRP加固层与钢构件界面处，有效维持其加固效果。

综上所述，本发明一种碳纤维复层包覆加固防腐体系及其施工方法，可适用于腐蚀环境下的既有结构和工程，可根据腐蚀环境、结构类型、构件形状、设计要求、加固效果等灵活选用相应浸渍胶、CFRP粘贴方式、防蚀带缠绕方式与不锈钢防护外罩形状。

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 (7)

1.一种碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，包括CFRP加固层，CFRP加固层设置在原结构构件(0)的表面，包括结构底胶(1)，结构底胶(1)设置在原结构构件(0)的表面，结构底胶(1)外部设置有碳纤维布(3)，结构底胶(1)与碳纤维布(3)之间，以及碳纤维布(3)的外部均设置有碳纤维浸渍胶(2)，CFRP加固层的外侧依次设置有PTC密封层，PTC密封层包括缓蚀剂(4)，缓蚀剂(4)均匀设置在CFRP加固层的外部，缓蚀剂(4)外部缠绕设置有防蚀带(5)，PTC密封层的外侧设置有缓冲层和防蚀保护罩。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，缓蚀剂(4)为矿脂类缓蚀剂，防蚀带(5)采用聚酯无纺布浸透矿脂类缓蚀剂后得到。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，缓冲层包括聚酯无纺布(6)，聚酯无纺布(6)设置在PTC密封层的外部，聚酯无纺布(6)外部设置胶粘剂(7)形成阻隔边界，阻隔边界设置有聚乙烯发泡衬里(8)。

4.根据权利要求3所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，胶粘剂(7)采用聚氨酯型胶粘剂。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，缓冲层的外部设置有防蚀保护罩，防蚀保护罩包括不锈钢防护外罩(9)，不锈钢防护外罩(9)通过不锈钢防护外罩螺栓(10)连接成整体，用于保护CFRP加固层和PTC密封层。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系，其特征在于，不锈钢防护外罩(9)的端部设置有支撑卡箍(11)，支撑卡箍(11)通过支撑卡箍螺栓(12)将加固防腐体系与原结构构件(0)固定连接。

7.一种根据权利要求1所述的碳纤维复层包覆加固防腐体系的施工方法，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、待步骤S2涂抹的结构底胶干燥后，在构件表面均匀滚涂碳纤维浸渍胶，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；

S4、步骤S3粘贴结束后，在碳纤维布表面再次均匀滚涂碳纤维浸渍胶；

S5、待步骤S4碳纤维布表面干燥后，在碳纤维布表面均匀涂覆缓蚀剂5～10遍，用量为350～1000g/m²；

S6、沿构件方向缠绕防蚀带，防蚀带的缠绕次数大于等于2次，缠绕时每层自搭接50％，每处共有4层以上防蚀带覆盖，并向施工作业面外延伸10～20cm；

S7、沿构件方向缠绕聚酯无纺布，每层搭接50％，搭接处应与防蚀带错茬，然后在表面用毛刷均匀涂抹表层胶粘剂；

S8、安装支撑卡箍，使无纺布与不锈钢保护罩之间预留有3～5cm的空隙；

S9、在无纺布与不锈钢防护外罩之间的空隙中注入聚乙烯发泡剂形成缓冲层，完成碳纤维复层包覆加固防腐体系施工。

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