碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

世界城市的發(fā)展已有五千多年的歷史，自19世紀中葉開始使用后，由于混凝土和鋼筋材料性能的不斷改進，結(jié)構(gòu)理論、施工技術(shù)的進步使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市化進程中的土木工程領(lǐng)域。現(xiàn)有部分建筑物由于受到建造年代、結(jié)構(gòu)使用功能改變、技術(shù)條件或自然災(zāi)害等因素的影響，出現(xiàn)承載力不足、變形能力變差、抗震能力降低或抗疲勞能力下降等現(xiàn)象，不能滿足現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，因此，需要對其進行加固、補強。

我國在結(jié)構(gòu)加固和補強方面做了大量的研究和實踐，工程中常用的結(jié)構(gòu)加固方法有加大截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法等。傳統(tǒng)的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的自重和使用面積有一定的影響，而粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法具有高強高效、耐腐蝕、施工便捷、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1、碳纖維復(fù)合材料加固原理

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，其研究始于20世紀80年代，自1996年引入我國，立即受到了工程界的關(guān)注，成為了研究和應(yīng)用的熱點。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)是將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固及改善受力性能的目的。

2、碳纖維復(fù)合材料

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固修復(fù)所用碳纖維材料主要有兩種：碳纖維材料和配套樹脂。碳纖維材料具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，其抗拉強度是普通鋼筋的十倍左右，彈性模量略高于普通鋼筋的彈性模量；配套樹指則包括底層樹脂、找平樹脂及粘結(jié)樹脂，前兩者的作用是為了提高碳纖維的粘結(jié)質(zhì)量，而后者的作用則是使碳纖維與混凝土能夠形成一個復(fù)合材料體，并且共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固、補強的目的。

2.1碳纖維布

碳纖維布按碳纖維原絲不同主要可以分為:PAN基碳纖維布；黏膠基碳纖維布；瀝青基碳纖維布。

碳纖維布按碳纖維規(guī)格不同主要可以分為:1K碳纖維布、3K碳纖維布、6K碳纖維布、12K碳纖維布、24K及以上大絲束碳纖維布。??碳纖維布按碳纖維炭化不同主要可以分為:石墨化碳纖維布、碳纖維布、預(yù)氧化碳纖維布。??碳纖維布按織造方式的不同主要可以分為:機織碳纖維布、針織碳纖維布、編織碳纖維布、碳纖維預(yù)浸布等等。

碳纖維布加固依據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖、構(gòu)件的腐蝕情況、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際檢測強度、《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程》等資料，考慮提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗彎（抗壓、抗拉）強度等級，對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固設(shè)計。

2.2加固粘結(jié)材料

碳纖維片材加固膠粘材料一般包括三種膠，按用途分它們各自的作用分別是：1、底涂膠（又稱底層樹脂）：涂刷于混凝土基層上，強化混凝土表面強度，從而使混凝土與碳纖維之間的粘結(jié)性得到提高。2、修補膠（又稱整平材料或膩子）：整平混凝土表面，便于碳纖維片材的粘貼。3、浸漬樹脂（又稱浸漬樹脂）：將碳纖維片材結(jié)合在一起，使之呈板狀硬化物；同時將碳纖維與混凝土粘接在一起，也形成一個復(fù)合整體，共抵抗外力。三種膠粘劑之中，浸漬樹脂最為重要，它的性能直接決定碳纖維片材能否有效地加固補強混凝土結(jié)構(gòu)。

3、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能

（1）高強度高彈性模量。碳纖維的強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10 倍，彈性模量和鋼材相近。

（2）抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性和耐久性。

（3）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零。

（4）施工簡便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設(shè)備，施工占用場地少，無濕作業(yè)，碳纖維布柔性好，可以任意裁剪，操作簡單，施工速度快。

（5）施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整，經(jīng)過修補后，有效粘貼率可達到95%以上。

（6）對結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經(jīng)加固修補后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸，不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。

（7）適用范圍廣?？捎糜诓煌Y(jié)構(gòu)類型、不同結(jié)構(gòu)形狀、不同材料的構(gòu)件加固，也可用于構(gòu)件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在實際工程中，用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較成熟，主要集中在以下幾個方面。

（1）提高受剪承載力

碳纖維布對構(gòu)件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用，與混凝土共同承受剪力。另外，碳纖維布具有對核心混凝土的約束作用，并能承擔(dān)拉應(yīng)力，防止主筋過早屈服，抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力，增強構(gòu)件的變形能力。

（2）提高受彎承載力

由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層，使之與混凝土共同承擔(dān)拉應(yīng)力，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開展，構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善。

（3）提高抗震能力

由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開裂，提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力，當需要提高構(gòu)件的抗震能力時，亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進行構(gòu)件的抗震設(shè)計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點范圍，或?qū)︿摻罨炷林M行包裹，可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。

（4）提高抗疲勞能力

用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的加固，經(jīng)200 萬次重復(fù)荷載作用后，加固構(gòu)件的強度和剛度不會降低，也不會發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象。如果采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的形式，預(yù)應(yīng)力碳纖維布的存在，使構(gòu)件中縱筋的應(yīng)力幅值有所降低，減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應(yīng)力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應(yīng)使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大提高，從而延長構(gòu)件的使用壽命。

5、碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的不足

（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當構(gòu)件發(fā)生較大變形時，才能充分發(fā)揮其高強高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對變形有比較嚴格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復(fù)合材料能力的發(fā)揮。

（2）碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后，容易發(fā)生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài)，對結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。

（3）目前對碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應(yīng)用時缺少專門研究。

（4）對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應(yīng)用成果，但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。

總之，碳纖維材料加固技術(shù)具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料的發(fā)展、生產(chǎn)成本的降低及國內(nèi)外碳纖維材料加固技術(shù)研究的不斷深入，該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1].《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》 CECS25：90

[2].《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》? JGJ116-98

[3].《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》? CECS146：2003

[4].《纖維片材加固修復(fù)結(jié)構(gòu)用粘結(jié)樹脂》?? JG/T166-2004

作者簡介：姓名：田凱，年齡，30，性別：男，籍貫河南平頂山，職位 教師，就職于河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，鄭州大學(xué)在職研究生，研究方向，結(jié)構(gòu)工程