摘要：在加固混凝土結構中,碳纖維加固法經過實踐,已取得了較好的經濟效果和技術效果,本文通過碳纖維加固技術特點,材料特性等論述,指出了碳纖維加固技術特點,材料特性等的論述,指出了碳纖維加固方法的適用性,使用效果及注意事項等。
關鍵詞：碳纖維 加固 混凝土結構
1 前言
混凝土結構設施的維護,修復和加固已成為當今面臨的緊迫課題。用傳統(tǒng)材料進行加固往往效率相對較低,要求機械化的程度較高,而且通常出現(xiàn)加固后耐久性差的問題。由于碳纖維布具有高強高效,耐腐蝕、自重輕等優(yōu)點,用其加固鋼筋混凝土結構技術已得到推廣應用。
2 碳纖維加固的技術特點
碳纖維有很多種類;其中PAN碳纖維具有優(yōu)異的物理力學性能、良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點，用于建筑結構補強加固的碳纖維的材料，其強度一般為建筑用鋼材的十幾倍，彈性模量與建筑鋼材在同一水平并略有提高，是一種優(yōu)良的結構加固用材料。
與其他加固方法比較，碳纖維加技術具有明顯的技術優(yōu)勢。
2.1 高強、高效。纖維材料具有優(yōu)異物理力學性能,在對混凝土結構進行加固補強過程中可以充分利用其高強度、高模量的特點來提高結構及構件的承載力和延性,改善其受力性能,達到高效加固的目的。
2.2 耐腐蝕性能及耐久性。碳纖維材料的化學性質穩(wěn)定，不與酸堿鹽等化學物質發(fā)生反應，因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構件具有良好的耐久性，解決了化學腐蝕問題。
2.3 不增加構件的自重及體積。碳纖維布質量輕且厚度薄，經加固修補后的構件，基本上不增加原結構的自重及尺寸，故不減少建筑物的使用空間。
2.4 適用面廣。碳纖維布是一種柔性材料，可任意裁剪，可廣泛應用于各種結構類型、結構形狀和結構中的各種部位，且不改變結構形狀及不影響外觀。同時，對于其他加固方法無法實施的結構和構件，諸如大型橋梁的橋墩、橋梁的橋板，以及隧道、大型筒體及殼體結構工程等，碳纖維加固技術都能順利地解決。
2.5 便于施工。將碳纖維材料用于加固混凝土結構。在施工現(xiàn)場不需要大型的施工機械，占用施工場地少，而且沒有濕作業(yè)，因而工效很高。
3 碳纖維片材的材料特性
碳纖維片材（CERP systems)是碳纖維片及碳纖維板的總稱。碳纖維加固鋼筋混凝土結構所涉及的材料主要有兩種，一是碳纖維片材，二是配套粘結材料。
3.1碳纖維片材（CERP）
3.1.1 碳纖維是一種碳含量超過90%的纖維狀碳材料，是以有機纖維一聚丙烯腈（PAN）纖維，粘膠纖維，瀝青纖維等原料在不活潑的氣體中經2000℃到3000℃碳化，石墨化等高溫固相反應制成的具有輕質，高強，高彈性模量，耐腐蝕的高性能無機纖維。它的比重一般為1.70-1.80g/cm3，熱膨脹系數接近于零，抗拉強度比鋼筋大10倍，彈性能模量比鋼筋大1.8-2.6倍，而密度僅為鋼筋的1/5?？垢g性能強，不產生電化學腐蝕，且在氯離子，碳酸和燒堿等到物質中強度降低很少；耐疲勞性好：一般金屬的耐疲勞強度為其抗拉強度的40%-50%，而碳纖維可高達70%-80%。
碳纖維片材是采用固化的熱固性樹脂（通常指環(huán)氯樹脂）將定向排列的碳纖維束粘結起來制成的薄片。根據纖維排列方向又可將片材分為單向纖維片材和雙向纖維片材。
3.1.2 目前結構加固、改造與修復技術現(xiàn)狀通?？煞咒摻罨炷猎龊穹āⅢw積預加法、片材加固法及隔震、消震法。CERP片材料加固法具有相對密度小，疲勞強度高、耐久性好、耐久性好、耐磨損，施工方便，造價低等特點，且不受施工條件限制基本上不影響原結構的外形。采用FRP抗彎加固混凝土梁的試驗表明：在正常的使用荷載下，抗彎剛度提高約17%-99%，抗彎強度提高約28%-97%，在受剪加固試驗中，加固的構件受彎承載力有較大幅度的提高，約65%-95%，滿足強彎弱剪的抗震要求。幾種加固方法的比較表，見表1
3.2 粘結材料
3.2.1 采用碳纖維片材對混凝土結構進行加固修復時，應采用配套樹脂類底層樹脂，找平材料，浸漬樹脂或粘貼樹脂進行加固修復。底層樹脂的作用是增強加固表面混凝土與找平材料或粘貼樹脂界面粘結強度。找平材料的作用是使加固表面平整度符合規(guī)定要求，并與底層樹脂及浸漬樹脂具有可靠的粘結強度。浸漬樹脂是粘結碳纖維布的主要粘結材料，粘結樹脂是粘結碳纖維板的主要粘結材料，其作用是碳纖維片材與混凝土得到充分的粘結，使其共同承受結構的作用。
3.2.2 粘結樹脂有環(huán)氧樹脂體系和不飽和聚脂體系等，目前應用最為廣泛的是環(huán)氧樹脂體系，具有良好的加工性，高度的粘合力，收縮性低，穩(wěn)定性好，吸水率低，機械強度高等優(yōu)點。其主要性能指標見表2
4 碳纖維加固方法的適用性
4.1 剛度問題
當混凝土樓、屋蓋結構由于剛度不足，導致變形過大、開裂嚴重而影響使用時，不適合用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對于梁、板等橫向受力構件，當用碳纖維進行加固時，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對結構剛度的提高作用小于10%，或基本沒有提高。
4.2 碳纖維抗彎加固的適用范圍
當混凝土結構由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進行加固時，加固結構的破壞形態(tài)一方面取決于原結構的配筋情況，另一方面取決于碳維的用量?，F(xiàn)假設原結構為適筋構件，則加固結構的破壞形態(tài)可分為如下三種情況。
4.2.1 碳纖維用量較少。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可以達到較高的拉應變。
4.2.2 碳纖維用量適中。破壞時受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達到某一中等拉應變。
4.2.3 碳纖維用量較多。破壞時，受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維拉應變很低。
上述三種情況中，第三種情況由于碳纖維用量大且強度利用率低，不宜采用。第一種加固方法適用于截面高度較大的梁，第二種加固方法適用于截面高度較小的板或扁梁。這主要是由于對板或扁梁而言，在碳纖維未達到很高的拉應變時，結構就可能由于變形過大而破壞。具體界限取決于碳纖維極限拉應變和加載方式。
5 使用效果及注意事項
5.1 隨著縱向粘貼碳纖維布層數的增加，補強加固效果愈加明顯，但碳纖維布層數與構件承載力的提高并不呈線性增長關系。隨著布層數的增加，構件承載力增長的速度逐漸減慢，粘貼2層以上碳纖維布時，需要考慮一個共同工作折減系數。
5.2 碳纖維布的抗拉強度存在尺寸效應，隨著纖維布寬度的增長率加大，織物極限拉應力有一定的降低。由于不同種類碳纖維的力學性能不同，所以尺寸效應系數應根據實際碳纖維布的種類確定。
5.3 經碳纖維布正截面補強加固的鋼筋混凝土構件受拉破壞情況分為兩種：一為受壓區(qū)混凝土達到極限壓應變而使構件破壞；二為碳纖維布在彎矩最大截面處達到極限抗拉強度導致構件破壞。
5.4 使用碳纖維布替代縱向受拉鋼筋加固補強鋼筋混凝土構件，可有效提高構件的正截面承載力。
5.5 與未加固的構件相比，碳纖維布加固的鋼筋混凝土構件出現(xiàn)裂縫相對較晚，且發(fā)展緩慢，數量較多，裂縫寬度也遠小于未加固構件，形成主裂縫的數量也明顯減少。
5.6 構件混凝土強度較低時，經過碳纖維布加固后，其受彎承載力的高明顯，可達15%。
6 工程實例
某多層鋼筋混凝土框架倉庫工程，柱網尺寸6m×6m，柱高4.5m，截面為600mm×600mm，柱的四個角設計為R=50mm的圓角。多層框架采用商品混凝土澆注，當主體結構施工到5層樓面時，發(fā)現(xiàn)3層部分框架柱混凝土強度低于設計值，隨后對整層每根柱混凝土進行現(xiàn)場回彈強度檢測，回彈結果表明：部分柱的混凝土強度等級僅為C18左右（為原設計強度的60%）。決定采用碳纖維方法對這部分柱進行加固補強。其增強效果如下：
6.1 碳纖維加固后，基本看不出被加固的痕跡，其截面幾何尺寸僅比原設計增大2--7mm。
6.2 一次加固后不需考慮今后使用過程中的維護。雖然碳纖維加固費用比粘鋼加固要高，但其施工速度快（這次加固從施工準備到完成僅用了2d）?？晒?jié)約施工費用，還具有長遠的綜合效益。
6.3 加固完成后2年內的4次觀測表明，加固柱底部和上部測點均未發(fā)生變化，粘貼碳纖維加固部位的小錘敲擊聲固定音頻無變化。
