摘要: 本文主要介紹了碳纖維片材的技術特點、加固原理及其在各類混凝土結構構件加固中的機理分析。
關鍵詞: 碳纖維加固特點原理機理分析
中圖分類號: TU375. 4 文獻標識碼: A 文章編號: 1006- 3315( 2008) 02- 104- 01
一、引言
近年來，隨著國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，建筑結構改造加固市場也日趨增大：貨運超載引發(fā)的橋梁疲勞破壞以及承載力不足；舊有建筑物改擴建、室內(nèi)外裝飾改造以及抗震加固工程的增多；還有建筑物使用功能的改變、工程質(zhì)量病害處理、地震火災后房屋的修復等等，都使得建筑結構改造加固技術在工程建設領域的應用越來越廣泛。
二、特點
碳纖維增強材料，簡稱碳纖維，是近十年來在發(fā)達國家新興的一種加固混凝土結構的新材料，以其優(yōu)異的力學性能在工程領域日漸受寵，被人們稱為“ 結構加固的新星”。采用碳纖維加固技術具有如下幾個特點：
1.強度高。碳纖維片材的抗拉強度一般都在3500MPa 以上，遠高于鋼材；抗拉彈性模量為230000～430000MPa，亦高于鋼材。因此它的比強度（ 即材料的強度與其密度之比）可達到2000MPa/g/cm3以上，而Q235 鋼的比強度僅為59MPa/g/cm3 左右，比模量也比鋼材高。
2.施工簡便、快捷。使用碳纖維加固構件不需大型施工機構及周轉(zhuǎn)材料，易于操作，施工周期短，經(jīng)濟性好。
3.抗酸堿鹽類介質(zhì)的腐蝕，應用面廣。加固后能大大提高結構的耐腐蝕性及耐久性，可以應用于各種工作環(huán)境的構件加固。
4.可以有效的封閉混凝土結構的裂縫，延長結構的使用壽命。
5.易于保持結構原狀，基本不增加結構自重及截面尺寸。
三、碳纖維的補強、加固原理
粘貼碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同工作，提高結構構件的（ 抗彎、抗剪）承載能力。
用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學性能，其抗拉強度約為普通鋼材的10 倍；但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作。因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用。
四、碳纖維布在混凝土結構加固中的機理分析
碳纖維加固技術應用廣泛，適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15 即可，這里著重介紹碳纖維布加固鋼筋混凝土抗彎、抗剪、抗震構件的機理作用，其它從略。
1. 碳纖維加固鋼筋混凝土抗彎構件
鋼筋混凝土受彎構件的抗彎加固，是通過將碳纖維布粘貼于構件受拉區(qū)，代替或補充鋼筋的受拉性能，從而提高構件的抗彎承載力。粘貼碳纖維后，在構件受拉區(qū)混凝土開裂前，碳纖維的應變很??；在混凝土開裂后，碳纖維布逐漸參與共同工作，應變增長加快；而在鋼筋屈服后，碳纖維布充分發(fā)揮作用，應變增長迅速加快，其高強高效的性能得以充分體現(xiàn)。
2. 碳纖維加固鋼筋混凝土抗剪構件
鋼筋混凝土的抗剪加固，是將碳纖維粘貼于構件的受剪區(qū)，這里碳纖維的作用類似于箍筋。在構件屈服前，碳纖維的應變發(fā)展緩慢，所達到的最大應變值也較?。辉跇嫾?，箍筋的作用逐漸被碳纖維代替，碳纖維的應變發(fā)展加快，應變值要高于箍筋的應變值，而箍筋所起的約束作用減小，其應變發(fā)展緩慢。
3 . 碳纖維加固鋼筋混凝土抗震柱
應用碳纖維對混凝土柱進行抗震加固，是通過用碳纖維布橫向包裹鋼筋混凝土柱來提高其延性而實現(xiàn)的。碳纖維的主要作用是對其內(nèi)部混凝土起到了約束作用，這種約束是一種被動約束，約束機制取決于兩個因素：混凝土的橫向膨脹性能和外包碳纖維布的環(huán)向約束能力。碳纖維布約束混凝土表現(xiàn)出兩階段受力過程：第一階段，混凝土處于類似素混凝土的線彈性階段，橫向變形小，故碳纖維橫向變形也很小，分界點在素混凝土峰值應力附近；第二階段，構件達到極限承載力后，混凝土橫向膨脹變形急劇增加，碳纖維環(huán)向應變顯著增長，環(huán)向約束力增加，混凝土極限壓應變得以提高，因而推遲了受壓區(qū)混凝土的壓碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構件的延性。
五、探討
粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術，已經(jīng)得到較為廣泛的應用，并已產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益；在混凝土結構的加固中，碳纖維布主要是分擔鋼筋的受力，即碳纖維布的主要作用是提高結構構件的抗拉強度，那么在其它的結構中，碳纖維布能否起到加強抗拉強度的作用呢？因為碳纖維布在結構膠的作用下強度很高，其它結構在用碳纖維布加固后，會否像類似鋼筋混凝土結構構件的超筋截面破壞一樣產(chǎn)生負面影響呢？這些問題有待工程技術人員進一步研究、開發(fā)。
參考文獻:
[1]《混凝土結構加固技術規(guī)范》( CECS25: 90)
[ 2]《混凝土結構加固設計規(guī)范》( GB50367- 2006)
[ 3] 《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》( CECS146:2003)
