摘要：在加固混凝土結(jié)構(gòu)中,碳纖維加固法經(jīng)過實(shí)踐,已取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果和技術(shù)效果,本文通過碳纖維加固技術(shù)特點(diǎn),材料特性等論述,指出了碳纖維加固技術(shù)特點(diǎn),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(xiàng)等。
關(guān)鍵詞：碳纖維 加固 混凝土結(jié)構(gòu)
1 前言
混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)施的維護(hù),修復(fù)和加固已成為當(dāng)今面臨的緊迫課題。用傳統(tǒng)材料進(jìn)行加固往往效率相對(duì)較低,要求機(jī)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(qiáng)高效,耐腐蝕、自重輕等優(yōu)點(diǎn),用其加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)已得到推廣應(yīng)用。
2 碳纖維加固的技術(shù)特點(diǎn)
碳纖維有很多種類;其中PAN碳纖維具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能、良好的粘合性、耐熱性及抗腐蝕性等特點(diǎn)，用于建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的碳纖維的材料，其強(qiáng)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(jié)構(gòu)加固用材料。
與其他加固方法比較，碳纖維加技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
2.1 高強(qiáng)、高效。纖維材料具有優(yōu)異物理力學(xué)性能,在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)過程中可以充分利用其高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)來提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性,改善其受力性能,達(dá)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(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)，因而用碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土構(gòu)件具有良好的耐久性，解決了化學(xué)腐蝕問題。
2.3 不增加構(gòu)件的自重及體積。碳纖維布質(zhì)量輕且厚度薄，經(jīng)加固修補(bǔ)后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)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(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)中的各種部位，且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響外觀。同時(shí)，對(duì)于其他加固方法無法實(shí)施的結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(jié)構(gòu)工程等，碳纖維加固技術(shù)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(jié)構(gòu)。在施工現(xiàn)場(chǎng)不需要大型的施工機(jī)械，占用施工場(chǎng)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(jié)構(gòu)所涉及的材料主要有兩種，一是碳纖維片材，二是配套粘結(jié)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(jī)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(jīng)2000℃到3000℃碳化，石墨化等高溫固相反應(yīng)制成的具有輕質(zhì)，高強(qiáng)，高彈性模量，耐腐蝕的高性能無機(jī)纖維。它的比重一般為1.70-1.80g/cm3，熱膨脹系數(shù)接近于零，抗拉強(qiáng)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。抗腐蝕性能強(qiáng)，不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，且在氯離子，碳酸和燒堿等到物質(zhì)中強(qiáng)度降低很少；耐疲勞性好：一般金屬的耐疲勞強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)度的40%-50%，而碳纖維可高達(dá)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(jié)起來制成的薄片。根據(jù)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(jié)構(gòu)加固、改造與修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀通?？煞咒摻罨炷猎龊穹?、體積預(yù)加法、片材加固法及隔震、消震法。CERP片材料加固法具有相對(duì)密度小，疲勞強(qiáng)度高、耐久性好、耐久性好、耐磨損，施工方便，造價(jià)低等特點(diǎn)，且不受施工條件限制基本上不影響原結(jié)構(gòu)的外形。采用FRP抗彎加固混凝土梁的試驗(yàn)表明：在正常的使用荷載下，抗彎剛度提高約17%-99%，抗彎強(qiáng)度提高約28%-97%，在受剪加固試驗(yàn)中，加固的構(gòu)件受彎承載力有較大幅度的提高，約65%-95%，滿足強(qiáng)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(jié)材料
3.2.1 采用碳纖維片材對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)時(shí)，應(yīng)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(jìn)行加固修復(fù)。底層樹脂的作用是增強(qiáng)加固表面混凝土與找平材料或粘貼樹脂界面粘結(jié)強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度。浸漬樹脂是粘結(jié)碳纖維布的主要粘結(jié)材料，粘結(jié)樹脂是粘結(jié)碳纖維板的主要粘結(jié)材料，其作用是碳纖維片材與混凝土得到充分的粘結(jié)，使其共同承受結(jié)構(gòu)的作用。
3.2.2 粘結(jié)樹脂有環(huán)氧樹脂體系和不飽和聚脂體系等，目前應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。其主要性能指標(biāo)見表2
4 碳纖維加固方法的適用性
4.1 剛度問題
當(dāng)混凝土樓、屋蓋結(jié)構(gòu)由于剛度不足，導(dǎo)致變形過大、開裂嚴(yán)重而影響使用時(shí)，不適合用粘貼碳纖維布的方法加固。研究表明，對(duì)于梁、板等橫向受力構(gòu)件，當(dāng)用碳纖維進(jìn)行加固時(shí)，在正常使用極限狀態(tài)，碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)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(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)由于抗彎承載力不夠，采用碳纖維布進(jìn)行加固時(shí)，加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)一方面取決于原結(jié)構(gòu)的配筋情況，另一方面取決于碳維的用量?，F(xiàn)假設(shè)原結(jié)構(gòu)為適筋構(gòu)件，則加固結(jié)構(gòu)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(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可以達(dá)到較高的拉應(yīng)變。
4.2.2 碳纖維用量適中。破壞時(shí)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維可達(dá)到某一中等拉應(yīng)變。
4.2.3 碳纖維用量較多。破壞時(shí)，受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎，受拉鋼筋屈服，碳纖維拉應(yīng)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(qiáng)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(duì)板或扁梁而言，在碳纖維未達(dá)到很高的拉應(yīng)變時(shí)，結(jié)構(gòu)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(yīng)變和加載方式。
5 使用效果及注意事項(xiàng)
5.1 隨著縱向粘貼碳纖維布層數(shù)的增加，補(bǔ)強(qiáng)加固效果愈加明顯，但碳纖維布層數(shù)與構(gòu)件承載力的提高并不呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。隨著布層數(shù)的增加，構(gòu)件承載力增長(zhǎng)的速度逐漸減慢，粘貼2層以上碳纖維布時(shí)，需要考慮一個(gè)共同工作折減系數(shù)。
5.2 碳纖維布的抗拉強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)，隨著纖維布寬度的增長(zhǎng)率加大，織物極限拉應(yīng)力有一定的降低。由于不同種類碳纖維的力學(xué)性能不同，所以尺寸效應(yīng)系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際碳纖維布的種類確定。
5.3 經(jīng)碳纖維布正截面補(bǔ)強(qiáng)加固的鋼筋混凝土構(gòu)件受拉破壞情況分為兩種：一為受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變而使構(gòu)件破壞；二為碳纖維布在彎矩最大截面處達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致構(gòu)件破壞。
5.4 使用碳纖維布替代縱向受拉鋼筋加固補(bǔ)強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件，可有效提高構(gòu)件的正截面承載力。
5.5 與未加固的構(gòu)件相比，碳纖維布加固的鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫相對(duì)較晚，且發(fā)展緩慢，數(shù)量較多，裂縫寬度也遠(yuǎn)小于未加固構(gòu)件，形成主裂縫的數(shù)量也明顯減少。
5.6 構(gòu)件混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，經(jīng)過碳纖維布加固后，其受彎承載力的高明顯，可達(dá)15%。
6 工程實(shí)例
某多層鋼筋混凝土框架倉庫工程，柱網(wǎng)尺寸6m×6m，柱高4.5m，截面為600mm×600mm，柱的四個(gè)角設(shè)計(jì)為R=50mm的圓角。多層框架采用商品混凝土澆注，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施工到5層樓面時(shí)，發(fā)現(xiàn)3層部分框架柱混凝土強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)值，隨后對(duì)整層每根柱混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈強(qiáng)度檢測(cè)，回彈結(jié)果表明：部分柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)僅為C18左右（為原設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%）。決定采用碳纖維方法對(duì)這部分柱進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。其增強(qiáng)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(shè)計(jì)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(hù)。雖然碳纖維加固費(fèi)用比粘鋼加固要高，但其施工速度快（這次加固從施工準(zhǔn)備到完成僅用了2d）?？晒?jié)約施工費(fèi)用，還具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的綜合效益。
6.3 加固完成后2年內(nèi)的4次觀測(cè)表明，加固柱底部和上部測(cè)點(diǎn)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。
