碳纤维复合材料加固混凝土结构技术研究

世界城市的发展已有五千多年的历史，自19世纪中叶开始使用后，由于混凝土和钢筋材料性能的不断改进，结构理论、施工技术的进步使钢筋混凝土结构得到迅速发展，目前已经广泛应用于城市化进程中的土木工程领域。现有部分建筑物由于受到建造年代、结构使用功能改变、技术条件或自然灾害等因素的影响，出现承载力不足、变形能力变差、抗震能力降低或抗疲劳能力下降等现象，不能满足现行《混凝土结构设计规范》和《建筑结构抗震设计规范》的要求，因此，需要对其进行加固、补强。

我国在结构加固和补强方面做了大量的研究和实践，工程中常用的结构加固方法有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法等。传统的加固方法整体水平比较落后、施工方法和施工工艺比较复杂，对结构的自重和使用面积有一定的影响，而粘贴碳纤维复合材料加固法具有高强高效、耐腐蚀、施工便捷、不增加结构尺寸等优点，在工程中得到了广泛的应用。

1、碳纤维复合材料加固原理

碳纤维加固混凝土结构是一种新型的混凝土结构加固方法，其研究始于20世纪80年代，自1996年引入我国，立即受到了工程界的关注，成为了研究和应用的热点。碳纤维加固修复混凝土结构是将碳纤维材料粘贴于混凝土结构表面，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。

2、碳纤维复合材料

混凝土结构构件加固修复所用碳纤维材料主要有两种：碳纤维材料和配套树脂。碳纤维材料具有高强度、高弹性模量、重量轻及耐腐蚀性好等特点，其抗拉强度是普通钢筋的十倍左右，弹性模量略高于普通钢筋的弹性模量;配套树指则包括底层树脂、找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维的粘结质量，而后者的作用则是使碳纤维与混凝土能够形成一个复合材料体，并且共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力，达到对结构构件进行加固、补强的目的。

2.1碳纤维布

碳纤维布按碳纤维原丝不同主要可以分为:PAN基碳纤维布;黏胶基碳纤维布;沥青基碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维规格不同主要可以分为:1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布、24K及以上大丝束碳纤维布。

碳纤维布按碳纤维炭化不同主要可以分为:石墨化碳纤维布、碳纤维布、预氧化碳纤维布。

碳纤维布按织造方式的不同主要可以分为:机织碳纤维布、针织碳纤维布、编织碳纤维布、碳纤维预浸布等等。

碳纤维布加固依据结构施工图、构件的腐蚀情况、结构或构件的实际检测强度、《混凝土结构加固技术规程》等资料，考虑提高结构或构件的抗弯(抗压、抗拉)强度等级，对结构或构件进行加固设计。

2.2加固粘结材料

碳纤维片材加固胶粘材料一般包括三种胶，按用途分它们各自的作用分别是：1、底涂胶(又称底层树脂)：涂刷于混凝土基层上，强化混凝土表面强度，从而使混凝土与碳纤维之间的粘结性得到提高。2、修补胶(又称整平材料或腻子)：整平混凝土表面，便于碳纤维片材的粘贴。3、浸渍树脂(又称浸渍树脂)：将碳纤维片材结合在一起，使之呈板状硬化物;同时将碳纤维与混凝土粘接在一起，也形成一个复合整体，共抵抗外力。三种胶粘剂之中，浸渍树脂最为重要，它的性能直接决定碳纤维片材能否有效地加固补强混凝土结构。

3、碳纤维复合材料加固混凝土结构的优良性能

(1)高强度高弹性模量。碳纤维的强度高，极限抗拉强度约为钢材的10 倍，弹性模量和钢材相近。

(2)抗腐蚀能力强、耐久性好。碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，因而碳纤维加固后的钢筋混凝土结构具有良好的抗腐蚀性和耐久性。

(3)热膨胀系数小。碳纤维材料的热膨胀系数非常小，其在纤维方向的热膨胀系数几乎等于零。

(4)施工简便，工作效率高。碳纤维布加固不需要大型施工机械和重型设备，施工占用场地少，无湿作业，碳纤维布柔性好，可以任意裁剪，操作简单，施工速度快。

(5)施工质量易于保证。碳纤维布是柔性材料，即使被加固构件的表面不是非常平整，经过修补后，有效粘贴率可达到95%以上。

(6)对结构影响小。碳纤维材料重量轻，厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，不影响结构的使用空间。

(7)适用范围广。可用于不同结构类型、不同结构形状、不同材料的构件加固，也可用于构件的不同部位及不同薄弱因素的加固。

4、碳纤维复合材料加固混凝土结构的应用

在实际工程中，用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布。碳纤维布加固技术在混凝土结构中的应用已较成熟，主要集中在以下几个方面。

(1)提高受剪承载力

碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用，与混凝土共同承受剪力。另外，碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用，并能承担拉应力，防止主筋过早屈服，抑制剪切裂缝的出现和发展。因此，碳纤维布可以明显提高钢筋混凝土构件的受剪承载力，增强构件的变形能力。

(2)提高受弯承载力

由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性，可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层，使之与混凝土共同承担拉应力，以提高构件的受弯承载力，达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后，受弯构件的受弯承载能力明显提高，有效的抑制了裂缝的开展，构件的变形能力和延性性能得到显著改善。

(3)提高抗震能力

由于碳纤维布能够约束构件的开裂，提高构件的刚度和抵抗变形的能力，当需要提高构件的抗震能力时，亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱，往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围，或对钢筋混凝土柱进行包裹，可以明显改善结构中混凝土构件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。

(4)提高抗疲劳能力

用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固，经200 万次重复荷载作用后，加固构件的强度和刚度不会降低，也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式，预应力碳纤维布的存在，使构件中纵筋的应力幅值有所降低，减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高，疲劳变形有所减小，构件的疲劳抗裂性能得到较大提高，从而延长构件的使用寿命。

5、碳纤维复合材料加固混凝土结构的不足

(1)碳纤维是一种线弹性脆性材料，只有当构件发生较大变形时，才能充分发挥其高强高弹模的性能。而混凝土结构对变形有比较严格的控制，在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥。

(2)碳纤维布加固混凝土结构后，容易发生粘贴剥离破坏，使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态，对结构的可靠度水平有所影响。

(3)目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少，在类似方面应用时缺少专门研究。

(4)对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果，但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏。

总之，碳纤维材料加固技术具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，随着碳纤维材料的发展、生产成本的降低及国内外碳纤维材料加固技术研究的不断深入，该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1].《混凝土结构加固技术规范》 CECS25：90

[2].《建筑抗震加固技术规程》 JGJ116-98

[3].《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 CECS146：2003

[4].《纤维片材加固修复结构用粘结树脂》 JG/T166-2004