碳纖維布在混凝土加固工程中的應(yīng)用

陳紅安

[摘要]碳纖維作為一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。介紹碳纖維及其成品的性能和特點(diǎn)，從施工工藝、粘貼、構(gòu)造幾方面闡述碳纖維布在混凝土工程加固技術(shù)應(yīng)用中需注意的事項(xiàng)，指出自身存在的缺點(diǎn)和不足，以供同類工程施工借鑒、參考。

[關(guān)鍵詞]碳纖維強(qiáng)度施工工藝

中圖分類號：TU5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0620084－01

碳纖維——是由有機(jī)母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或?yàn)r青)采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的，其結(jié)果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1／4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500~pa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此，比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa／(g／cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa／(g／cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。

一、碳纖維的生產(chǎn)原理

碳纖維研制和應(yīng)用可以追溯到1850年的碳素?zé)艚z，此后的研究應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)，到上世紀(jì)五十年代隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和軍事工業(yè)的要求，碳纖維的研制和生產(chǎn)，相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業(yè)生產(chǎn)工藝，使碳纖維應(yīng)用才進(jìn)入到一個新階段。首先是在航空航天等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，逐步擴(kuò)展到高級民用工業(yè)，而真正用于建筑工程結(jié)構(gòu)加固也就只有近十多來年的歷史。碳纖維和石墨纖維一般統(tǒng)稱為碳纖維，含碳量都在95％以上，但碳元素只有在高溫高壓下才能熔融，不可能直接從碳元素制取碳纖維，理論上任何有機(jī)纖維經(jīng)碳化后均可制成碳纖維，實(shí)際上目前具有工業(yè)意義的原絲僅有聚丙烯腈纖維(PAN)和中間相瀝青，各國生產(chǎn)碳纖維主要是以聚丙烯腈纖維為原料，經(jīng)過高溫碳化等特殊工藝加工成極細(xì)的纖維絲(直徑5～10 u m)，提高單絲強(qiáng)度，使一定量纖維的表面積增大很多，更利于加強(qiáng)與樹脂膠的結(jié)合。

二、碳纖維布在工程中的應(yīng)用

碳纖維成品在土術(shù)工程中應(yīng)用主要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等，各有不同的使用范圍，而當(dāng)前加固工程中用量最大和最普遍的還是碳纖維布(片)，碳纖維布常用的規(guī)格是200g／m2和300g／m2，厚度分別是0.111m和0.167mm；高性能碳纖維布的最主要指標(biāo)仍是其強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長。一般抗拉強(qiáng)度都在3500Mpa以上，彈模在230000Mpa以上，伸長率在1.4％以上，結(jié)構(gòu)加固主要是利用碳纖維的高抗拉性能，廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粱、板、柱和構(gòu)架的節(jié)點(diǎn)加固，也很適合用于古建筑物或砌體結(jié)構(gòu)的維修加固，恢復(fù)和提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂性能。

三、碳纖維的構(gòu)造要求

對于受彎構(gòu)件碳纖布是粘貼于受拉區(qū)，以補(bǔ)充鋼筋的不足，粘于粱的兩側(cè)，以提高梁的抗剪能力，纏繞于混凝土柱外側(cè)約束了混凝土的側(cè)向變形，可以高柱的承載能力和柱的軸壓比，纏繞于桁架的節(jié)點(diǎn)可使節(jié)點(diǎn)得到整體的加固。碳纖布的層數(shù)可通過計(jì)算確定，考慮到各層的共同工作系數(shù)，抗疲勞的能力和避免脆性破壞，一般建議不宜超過5層；從受力性能角度，單層優(yōu)于多層，窄幅優(yōu)于寬幅：必要時縱向可以搭接，搭接長度不得少于100mm，要保證碳纖維端部有可靠的錨固，除滿足計(jì)算要求外，還應(yīng)有必要的構(gòu)造措施。

四、碳纖維布的粘貼要求

僅僅依靠碳纖維布本身并不能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的力學(xué)特性及優(yōu)越的耐久性能，只有通過環(huán)氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面并與之緊密地結(jié)合在一起形成整體共同工作，才能達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。因此要求粘結(jié)劑對被粘貼界面和碳纖布有高的粘結(jié)力和強(qiáng)度，抗拉、抗壓、特別是粘貼抗剪強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)高于混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度，粘結(jié)劑對界面和碳纖維布都要有良好的滲透性和相容性，具有抗沖擊、耐疲勞、抗老化等優(yōu)異性能，因此應(yīng)該采用專用的粘結(jié)劑。

五、完善的施工工藝是加固效果的重要因素

主要要求是：清除混凝土表面浮漿層和油污等劣化混凝土部分井打磨整平，直至露出結(jié)構(gòu)新面，平整度應(yīng)達(dá)到5mm／m；對已穩(wěn)定且裂縫寬度小于0.3mm，在裂縫處用水沖洗干凈，干燥后涂刷環(huán)氧樹脂封閉，對已穩(wěn)定且裂縫寬度大于0.3mm，沿裂縫剔鑿30～50mm“v”型槽，清除干凈并保證結(jié)合面干燥后用環(huán)氧砂漿填充；被粘貼面保持干燥，混凝土表層含水率不大于4％：采用專用的工具，涂布粘度較大的粘結(jié)荊，對碳纖布經(jīng)過適度的輾壓，使粘結(jié)劑充分浸潰于單絲中：消除氣泡，不允許出現(xiàn)離殼、亂絲、鄒折、扭曲的現(xiàn)象；多層粘貼時，應(yīng)在碳纖維布表面指觸干燥后立即進(jìn)行下層的粘貼。完善的工藝和訓(xùn)練有素的工人，可以做到有效的粘貼面積在99％以上，使碳纖維的性能真正得以發(fā)揮。

六、碳纖維存在的缺陷與不足

碳纖維整體上無疑是一種輕質(zhì)高強(qiáng)性能優(yōu)異的新興建材，但也有其自身的特點(diǎn)或缺點(diǎn)，碳纖維的抗剪強(qiáng)度很低，延伸率小，還不到一般鋼材的1／10，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線近乎直線，沒有塑性平臺，從這個意義上。碳纖維是一種脆性材料，在設(shè)計(jì)和構(gòu)造上應(yīng)予注意；用于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件中，受極限應(yīng)變0.01的限制，實(shí)際可采用的設(shè)計(jì)強(qiáng)度還不到其極限強(qiáng)度的70％，頗有大材小用之感。目前國家雖然還沒有頒布正式的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，但碳纖維的應(yīng)用研究已得到國家的重視，隨著研究的進(jìn)一步深入，碳纖維存在的缺陷將會大大改善，碳纖維作為耐震補(bǔ)強(qiáng)材料和技術(shù)的地位會更加突出。