碳纤维布在混凝土加固工程中的应用

陈红安

[摘要]碳纤维作为一种力学性能优异的新材料，已广泛应用于各个领域。介绍碳纤维及其成品的性能和特点，从施工工艺、粘贴、构造几方面阐述碳纤维布在混凝土工程加固技术应用中需注意的事项，指出自身存在的缺点和不足，以供同类工程施工借鉴、参考。

[关键词]碳纤维强度施工工艺

中图分类号：TU5文献标识码：A文章编号：1671—7597(2009)0620084－01

碳纤维——是由有机母体纤维(例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青)采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的，其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1／4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500~pa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此，比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa／(g／cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa／(g／cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

一、碳纤维的生产原理

碳纤维研制和应用可以追溯到1850年的碳素灯丝，此后的研究应用一直处于停滞状态，到上世纪五十年代随着工业技术的发展和军事工业的要求，碳纤维的研制和生产，相继解决了原丝的选择和高温碳化的工业生产工艺，使碳纤维应用才进入到一个新阶段。首先是在航空航天等军事领域的应用，逐步扩展到高级民用工业，而真正用于建筑工程结构加固也就只有近十多来年的历史。碳纤维和石墨纤维一般统称为碳纤维，含碳量都在95％以上，但碳元素只有在高温高压下才能熔融，不可能直接从碳元素制取碳纤维，理论上任何有机纤维经碳化后均可制成碳纤维，实际上目前具有工业意义的原丝仅有聚丙烯腈纤维(PAN)和中间相沥青，各国生产碳纤维主要是以聚丙烯腈纤维为原料，经过高温碳化等特殊工艺加工成极细的纤维丝(直径5～10 u m)，提高单丝强度，使一定量纤维的表面积增大很多，更利于加强与树脂胶的结合。

二、碳纤维布在工程中的应用

碳纤维成品在土术工程中应用主要有纤维布、纤维板、棒材、型材、短纤维等，各有不同的使用范围，而当前加固工程中用量最大和最普遍的还是碳纤维布(片)，碳纤维布常用的规格是200g／m2和300g／m2，厚度分别是0.111m和0.167mm；高性能碳纤维布的最主要指标仍是其强度、弹性模量和断裂伸长。一般抗拉强度都在3500Mpa以上，弹模在230000Mpa以上，伸长率在1.4％以上，结构加固主要是利用碳纤维的高抗拉性能，广泛用于钢筋混凝土结构的粱、板、柱和构架的节点加固，也很适合用于古建筑物或砌体结构的维修加固，恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能。

三、碳纤维的构造要求

对于受弯构件碳纤布是粘贴于受拉区，以补充钢筋的不足，粘于粱的两侧，以提高梁的抗剪能力，缠绕于混凝土柱外侧约束了混凝土的侧向变形，可以高柱的承载能力和柱的轴压比，缠绕于桁架的节点可使节点得到整体的加固。碳纤布的层数可通过计算确定，考虑到各层的共同工作系数，抗疲劳的能力和避免脆性破坏，一般建议不宜超过5层；从受力性能角度，单层优于多层，窄幅优于宽幅：必要时纵向可以搭接，搭接长度不得少于100mm，要保证碳纤维端部有可靠的锚固，除满足计算要求外，还应有必要的构造措施。

四、碳纤维布的粘贴要求

仅仅依靠碳纤维布本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此要求粘结剂对被粘贴界面和碳纤布有高的粘结力和强度，抗拉、抗压、特别是粘贴抗剪强度应远高于混凝土相应的强度，粘结剂对界面和碳纤维布都要有良好的渗透性和相容性，具有抗冲击、耐疲劳、抗老化等优异性能，因此应该采用专用的粘结剂。

五、完善的施工工艺是加固效果的重要因素

主要要求是：清除混凝土表面浮浆层和油污等劣化混凝土部分井打磨整平，直至露出结构新面，平整度应达到5mm／m；对已稳定且裂缝宽度小于0.3mm，在裂缝处用水冲洗干净，干燥后涂刷环氧树脂封闭，对已稳定且裂缝宽度大于0.3mm，沿裂缝剔凿30～50mm“v”型槽，清除干净并保证结合面干燥后用环氧砂浆填充；被粘贴面保持干燥，混凝土表层含水率不大于4％：采用专用的工具，涂布粘度较大的粘结荆，对碳纤布经过适度的辗压，使粘结剂充分浸溃于单丝中：消除气泡，不允许出现离壳、乱丝、邹折、扭曲的现象；多层粘贴时，应在碳纤维布表面指触干燥后立即进行下层的粘贴。完善的工艺和训练有素的工人，可以做到有效的粘贴面积在99％以上，使碳纤维的性能真正得以发挥。

六、碳纤维存在的缺陷与不足

碳纤维整体上无疑是一种轻质高强性能优异的新兴建材，但也有其自身的特点或缺点，碳纤维的抗剪强度很低，延伸率小，还不到一般钢材的1／10，应力应变关系曲线近乎直线，没有塑性平台，从这个意义上。碳纤维是一种脆性材料，在设计和构造上应予注意；用于普通钢筋混凝土结构受弯构件中，受极限应变0.01的限制，实际可采用的设计强度还不到其极限强度的70％，颇有大材小用之感。目前国家虽然还没有颁布正式的设计和施工规范，但碳纤维的应用研究已得到国家的重视，随着研究的进一步深入，碳纤维存在的缺陷将会大大改善，碳纤维作为耐震补强材料和技术的地位会更加突出。