碳纖維布在混凝土加固工程中的應用

陳紅安

[摘要]碳纖維作為一種力學性能優異的新材料，已廣泛應用于各個領域。介紹碳纖維及其成品的性能和特點，從施工工藝、粘貼、構造幾方面闡述碳纖維布在混凝土工程加固技術應用中需注意的事項，指出自身存在的缺點和不足，以供同類工程施工借鑒、參考。

[關鍵詞]碳纖維強度施工工藝

中圖分類號：TU5文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0620084－01

碳纖維——是由有機母體纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青)采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下制成的，其結果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1／4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500~pa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此，比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa／(g／cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa／(g／cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景。

一、碳纖維的生產原理

碳纖維研制和應用可以追溯到1850年的碳素燈絲，此后的研究應用一直處于停滯狀態，到上世紀五十年代隨著工業技術的發展和軍事工業的要求，碳纖維的研制和生產，相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業生產工藝，使碳纖維應用才進入到一個新階段。首先是在航空航天等軍事領域的應用，逐步擴展到高級民用工業，而真正用于建筑工程結構加固也就只有近十多來年的歷史。碳纖維和石墨纖維一般統稱為碳纖維，含碳量都在95％以上，但碳元素只有在高溫高壓下才能熔融，不可能直接從碳元素制取碳纖維，理論上任何有機纖維經碳化后均可制成碳纖維，實際上目前具有工業意義的原絲僅有聚丙烯腈纖維(PAN)和中間相瀝青，各國生產碳纖維主要是以聚丙烯腈纖維為原料，經過高溫碳化等特殊工藝加工成極細的纖維絲(直徑5～10 u m)，提高單絲強度，使一定量纖維的表面積增大很多，更利于加強與樹脂膠的結合。

二、碳纖維布在工程中的應用

碳纖維成品在土術工程中應用主要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等，各有不同的使用范圍，而當前加固工程中用量最大和最普遍的還是碳纖維布(片)，碳纖維布常用的規格是200g／m2和300g／m2，厚度分別是0.111m和0.167mm；高性能碳纖維布的最主要指標仍是其強度、彈性模量和斷裂伸長。一般抗拉強度都在3500Mpa以上，彈模在230000Mpa以上，伸長率在1.4％以上，結構加固主要是利用碳纖維的高抗拉性能，廣泛用于鋼筋混凝土結構的粱、板、柱和構架的節點加固，也很適合用于古建筑物或砌體結構的維修加固，恢復和提高結構的承載能力和抗裂性能。

三、碳纖維的構造要求

對于受彎構件碳纖布是粘貼于受拉區，以補充鋼筋的不足，粘于粱的兩側，以提高梁的抗剪能力，纏繞于混凝土柱外側約束了混凝土的側向變形，可以高柱的承載能力和柱的軸壓比，纏繞于桁架的節點可使節點得到整體的加固。碳纖布的層數可通過計算確定，考慮到各層的共同工作系數，抗疲勞的能力和避免脆性破壞，一般建議不宜超過5層；從受力性能角度，單層優于多層，窄幅優于寬幅：必要時縱向可以搭接，搭接長度不得少于100mm，要保證碳纖維端部有可靠的錨固，除滿足計算要求外，還應有必要的構造措施。

四、碳纖維布的粘貼要求

僅僅依靠碳纖維布本身并不能充分發揮其強大的力學特性及優越的耐久性能，只有通過環氧樹脂將碳纖維片粘附于鋼筋混凝土結構表面并與之緊密地結合在一起形成整體共同工作，才能達到補強的目的。因此要求粘結劑對被粘貼界面和碳纖布有高的粘結力和強度，抗拉、抗壓、特別是粘貼抗剪強度應遠高于混凝土相應的強度，粘結劑對界面和碳纖維布都要有良好的滲透性和相容性，具有抗沖擊、耐疲勞、抗老化等優異性能，因此應該采用專用的粘結劑。

五、完善的施工工藝是加固效果的重要因素

主要要求是：清除混凝土表面浮漿層和油污等劣化混凝土部分井打磨整平，直至露出結構新面，平整度應達到5mm／m；對已穩定且裂縫寬度小于0.3mm，在裂縫處用水沖洗干凈，干燥后涂刷環氧樹脂封閉，對已穩定且裂縫寬度大于0.3mm，沿裂縫剔鑿30～50mm“v”型槽，清除干凈并保證結合面干燥后用環氧砂漿填充；被粘貼面保持干燥，混凝土表層含水率不大于4％：采用專用的工具，涂布粘度較大的粘結荊，對碳纖布經過適度的輾壓，使粘結劑充分浸潰于單絲中：消除氣泡，不允許出現離殼、亂絲、鄒折、扭曲的現象；多層粘貼時，應在碳纖維布表面指觸干燥后立即進行下層的粘貼。完善的工藝和訓練有素的工人，可以做到有效的粘貼面積在99％以上，使碳纖維的性能真正得以發揮。

六、碳纖維存在的缺陷與不足

碳纖維整體上無疑是一種輕質高強性能優異的新興建材，但也有其自身的特點或缺點，碳纖維的抗剪強度很低，延伸率小，還不到一般鋼材的1／10，應力應變關系曲線近乎直線，沒有塑性平臺，從這個意義上。碳纖維是一種脆性材料，在設計和構造上應予注意；用于普通鋼筋混凝土結構受彎構件中，受極限應變0.01的限制，實際可采用的設計強度還不到其極限強度的70％，頗有大材小用之感。目前國家雖然還沒有頒布正式的設計和施工規范，但碳纖維的應用研究已得到國家的重視，隨著研究的進一步深入，碳纖維存在的缺陷將會大大改善，碳纖維作為耐震補強材料和技術的地位會更加突出。