摘要：本文主要介紹了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良性能，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究概況，探討了碳纖維復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、抗震性能和抗疲勞性能等方面加固的有效性，并分析了加固混凝土結(jié)構(gòu)的主要影響因素。最后提出了碳纖維復(fù)合材料加固理論的不足之處。
關(guān)鍵詞：碳纖維；加固；熱膨脹系數(shù)；承載力；抗震；
有些建筑物由于受到建造年代、結(jié)構(gòu)使用功能改變、技術(shù)條件或自然災(zāi)害等因素的影響，出現(xiàn)承載力不足、抵抗變形能力差、抗震能力降低或抗疲勞能力下降等現(xiàn)象，不能滿足現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，因此，需要對其進行加固、補強。我國在結(jié)構(gòu)加固和補強方面做了大量的研究和實踐，工程中常用的結(jié)構(gòu)加固方法很多，有加大截面法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法和粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法等。傳統(tǒng)的加固方法整體水平比較落后、施工方法和施工工藝比較復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的自重和使用面積有一定的影響，而粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法具有具有高強度、高彈性模量、重量輕及耐腐蝕性好等特點，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。
1.碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良性能
碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型、高效、不影響原結(jié)構(gòu)的外觀的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。工程中采用的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用樹脂膠結(jié)材料，將碳纖維材料粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，通過二者協(xié)同受力，達到加固目的。與傳統(tǒng)的加固方法相比，碳纖維加固技術(shù)具有以下的優(yōu)良性能：
（1）高強度高彈性模量。碳纖維的抗拉強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10倍，彈性模量和鋼材相近。因此，在加固修補混凝土結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善其受力性能，達到加固修補的目的。
（2）重量輕，密度只有普通鋼材的1/4。
（3）耐久性好，可阻抗化學(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境、氣候變化的破壞，解決了其他加固方法所遇到的化學(xué)腐蝕問題；同時也免去了粘鋼加固所需的定期防銹維護，節(jié)省維護費用。
（4）熱膨脹系數(shù)小。碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數(shù)幾乎等于零，這一特性是目前其他任何材料無可比擬的，垂直于纖維方向的熱膨脹系數(shù)雖然比較大，但各向同性制品與其它材料相比又最小。
（5）施工方便快捷、省力節(jié)時、施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設(shè)備，施工占用場地少，無濕作業(yè)，碳纖維布柔性好，可以根據(jù)設(shè)計尺寸用剪刀或刀片將其任意裁剪，操作簡單，施工速度快，粘貼碳纖維的加固工效是粘鋼加固工效的4～8倍。
（6）施工質(zhì)量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構(gòu)件的表面不是非常平整，經(jīng)過修補后，有效粘貼率可達到95%以上。
（7）對結(jié)構(gòu)影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經(jīng)加固修補后的構(gòu)件，基本上不增加原結(jié)構(gòu)的自重及尺寸，不影響結(jié)構(gòu)的使用空間。
（8）適用范圍廣。混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)均可進行加固。混凝土結(jié)構(gòu)物、橋梁及建筑物的梁、柱、面板加固。隧道、港灣設(shè)施、煙囪、倉庫、廠房的加固。受鹽害的混凝土、橋梁以及河川構(gòu)造物的防護和加固。
除此之外，碳纖維材料還有其他的一些優(yōu)勢，如透電磁波、絕緣、隔熱等，這就使得碳纖維加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固方面產(chǎn)生良好的綜合效益。
2.碳纖維復(fù)合材料加固混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
在實際工程中，用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布。碳纖維布主要是分擔鋼筋的受力，主要作用是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強度和抗變形能力，減少裂縫的開展，碳纖維布加固技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已較成熟，主要集中在以下幾個方面。
（1）提高結(jié)構(gòu)抗剪承載力
碳纖維布對構(gòu)件抗剪的貢獻類似于箍筋的作用，與混凝土共同承受剪力。另外，碳纖維布也有對核心混凝土的約束作用，并能承擔拉應(yīng)力，防止主筋過早屈服，抑制剪切裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。因此，碳纖維布可以明顯提高鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力，增強構(gòu)件的變形能力。
（2）提高結(jié)構(gòu)抗彎承載力
由于碳纖維布具有抗拉強度高的特性，可以將碳纖維布粘貼在構(gòu)件的受拉表層，使之與混凝土共同承擔拉應(yīng)力，以提高構(gòu)件的受彎承載力，達到加固補強的目的。粘貼碳纖維布后，受彎構(gòu)件的受彎承載能力明顯提高，有效的抑制了裂縫的開展，構(gòu)件的變形能力和延性性能得到顯著改善。影響受彎加固效果的主要因素有碳纖維布的材料性能、碳纖維布的寬度和層數(shù)、粘結(jié)劑質(zhì)量、粘貼質(zhì)量、加固前構(gòu)件的受荷情況、縱筋配筋率、構(gòu)件截面尺寸等。
（3）提高結(jié)構(gòu)抗震能力
由于碳纖維布能夠約束構(gòu)件的開裂，提高構(gòu)件的剛度和抵抗變形的能力，當需要提高構(gòu)件的抗震能力時，亦可用碳纖維布進行增強和增韌。尤其對于鋼筋混凝土梁柱節(jié)點和受軸向力作用的鋼筋混凝土柱，往往要求進行構(gòu)件的抗震設(shè)計。采用碳纖維布粘貼于梁柱節(jié)點范圍，或?qū)?a href='http://m.zigbeehf.com.cn' target='_blank' title='鋼筋混凝土'>鋼筋混凝土柱進行包裹，可以明顯改善結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。此時，應(yīng)考慮軸壓比、碳纖維布用量、配箍率、長細比等因素對碳纖維布加固構(gòu)件的變形能力和抗震性能的影響。
（4）提高結(jié)構(gòu)抗疲勞能力
對于承受動力荷載或重復(fù)荷載的構(gòu)件，要求構(gòu)件具有足夠的抗疲勞性能，抗疲勞能力的大小與其截面尺寸、配筋率、縱筋類型和荷載級別等有關(guān)。用碳纖維布進行鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁的加固，經(jīng)200萬次重復(fù)荷載作用后，加固構(gòu)件的強度和剛度不會降低，也不會發(fā)生剝落和脆斷現(xiàn)象。如果采用預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固的形式，預(yù)應(yīng)力碳纖維布的存在，使構(gòu)件中縱筋的應(yīng)力幅值有所降低，減少了發(fā)生疲勞破壞的可能。而始終處于高應(yīng)力狀態(tài)的碳纖維布具有良好的抗疲勞性能。其綜合效應(yīng)使所加固構(gòu)件的疲勞壽命大大提高，疲勞變形有所減小，構(gòu)件的疲勞抗裂性能得到較大改善提高，從而延長構(gòu)件的使用壽命。
3.結(jié)語
碳纖維復(fù)合材料的耐久性好，抵抗酸、堿腐蝕的能力強，對原結(jié)構(gòu)的影響較小，施工方便，具有其他加固手段所不具備的優(yōu)點。用碳纖維復(fù)合材料進行混凝土結(jié)構(gòu)的加固，可以有效的提高混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強度，改善結(jié)構(gòu)的變形性能，增強結(jié)構(gòu)的抗震能力，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，綜合加固效果顯著。但是，碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)仍存在一些不足之處。
（1）碳纖維是一種線彈性脆性材料，只有當構(gòu)件發(fā)生較大變形時，才能充分發(fā)揮其高強高彈模的性能。而混凝土結(jié)構(gòu)對變形有比較嚴格的控制，在一定程度上限制了碳纖維復(fù)合材料能力的發(fā)揮。
（2）碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)后，容易發(fā)生粘貼剝離破壞，使加固后混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的脆性破壞形態(tài)，對結(jié)構(gòu)的可靠度水平有所影響。
（3）目前對碳纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載、沖擊荷載作用下受力性能的研究較少，在類似方面應(yīng)用時應(yīng)有專門研究。
（4）對于碳纖維材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗彎加固機理和計算方法已有了成熟的研究和應(yīng)用成果，但對碳纖維材料加固剪力墻等方面的研究理論還較缺乏。
（5）進行碳纖維復(fù)合材料加固時，采用建筑結(jié)構(gòu)膠作為碳纖維復(fù)合材料和混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑對溫度比較敏感，使加固構(gòu)件的受力性能受溫度的影響較大，應(yīng)進一步加強該方面的研究工作。
總之，碳纖維材料加固技術(shù)具有與其它傳統(tǒng)加固方法無法比擬的優(yōu)越性及良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，隨著碳纖維材料成本的降低及國內(nèi)外研究的不斷深入，該項技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用會越來越廣泛，具有廣闊的發(fā)展前景。
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