碳纖維補強加固混凝土結構

　　碳纖維是目前世界上已知的工程材料中比強度最高的，特別突出的是具有極高的抗拉強度和彈性模量。碳纖維布制成復合材料后的比重降低至鋼鐵的五分之一，是非常輕質的材料。同時，碳纖維又是一種力學性能優(yōu)異的新材料。工程用的碳纖維是以高純度的聚丙烯腈（PAN）為原料經(jīng)過高溫碳化等特殊工藝加工成極細的纖維絲，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。施工中，樹脂膠充分進入纖維之間，將各條纖維絲完全包裹起來，形成物理性能優(yōu)異的復合材料。測試證明，碳纖維的抗拉強度可達4500N/mm2以上，形成復合材料后為3500N/mm2以上，分別是普通合金結構鋼的9倍和7倍左右。碳纖維復合材料的彈性模量略高于普通鋼材，碳纖維材料還具有優(yōu)異的抗腐蝕性，對空氣中氯離子含量高的沿海地區(qū)的結構加固工程特別適用。
　　碳纖維增強水泥：混凝土、水泥灰漿、水泥砂漿系列材料價格低廉，耐火、耐熱、耐蝕性能優(yōu)良，壓縮強度也高，因此在土木建筑、海洋工程方面被大量使用。碳纖維增強水泥復合材料，在承受負荷時表面不再產生肉眼可見的龜裂，其拉伸強度和彎曲強度、彎曲韌性比不增強的高幾倍到十幾倍。其耐沖擊性也得到改善。
　　由它制成的構件尺寸穩(wěn)定，同時還具有防靜電性、耐磨耗、耐腐蝕等性能，因而這些技術近年來得到較快發(fā)展。國外用碳纖維增強水泥的典型例子是：伊拉克巴格達建成的AL－Shaheecl紀念碑，在此大型建筑結構上全面使用了碳纖維增強水泥；日本東京的37層的ARK事務所大樓外墻裝修的幕墻，由碳纖維增強水泥灰漿制造。此后日本又陸續(xù)在大型建筑物上應用，并應用到橋梁建設中。
　　當前工程結構加固主要是應用碳纖片材。碳纖片材：有板狀和布狀編物兩種，碳纖布更能適應不同結構外形的需要。碳纖布性能優(yōu)劣除強度指標外，很重要的一點是對粘結劑的滲透性，和對粘結劑的消泡性能，這主要取決于碳纖布的編織技術，有些片材未經(jīng)編織或無間隙，均會影響粘貼效果。主要的使用方法是將浸透了樹脂膠的碳纖維布貼合到鋼筋混凝土的受拉部位，如橋板的底面、梁體或橋墩的表面，并使其與混凝土結合成為一體，從而達到加固結構的目的。本方法還被廣泛地用于隧道襯砌、建筑物的梁、柱等混凝土結構的加固補強工程。國內工程界已注意到此新興的領域，各高等院校競相投入在量人力和資金，成立課題組進行專題研究，相應設計規(guī)范正在審批中。近年國內許多加固工程已相繼采用碳纖布進行加固，遍及建筑結構和鐵路、公路橋梁，如廣州古建筑六榕塔、廣州市某立交簡支梁橋、某高架路預應力箱梁、某高架路墩柱、海口市人民橋等；碳纖布加固突出的優(yōu)點是加固后基本上不改變結構的外形，稍作處理則類似裝修，在某五星級賓館的梁板加固中被優(yōu)先采用；但總的來說碳纖加固技術的應用在我國仍處于起步階段，據(jù)有關報道，去年廣州全年碳纖布用量僅為數(shù)千平米，相對于大量有待維修加固的橋梁和建筑物這是一個十分小的數(shù)字，應用前景應是很廣闊的。
　　碳纖棒材：代替鋼筋用于特種建筑結構，還在研究階段。
　　1.碳纖維布主要性能碳纖維布的品質規(guī)格：
　　2.碳纖樹脂粘結劑：
　　一般采用環(huán)氧樹脂基的高分子樹脂，要求其物理力學性質優(yōu)異，具有適宜的粘度、高粘結強度、高韌性，滲透性強。
　　3.粘結樹脂系列：
　　包括底膠（primer）、樹脂膩子（putty），底膠要求滲透力強，提高混凝土的表面強度，促使粘結劑與混凝土的有效連接；樹脂膩子的作用是修復不平的粘結面，使碳纖保持與粘貼面的全接觸。
　　4.主要施工工藝：
　　（1）表面處理：除掉混凝土表面強度較弱的風化層、污物、脫模劑層、浮漿；
　　（2）截面修復（處理不平整處）：打磨混凝土表面不平滑的凹凸面，整平，消除階梯狀部分的落差；棱角打磨圓滑，半徑不小于20mm；
　　（3）涂布底膠：
　　（4）整平貼合面：用樹脂膩子（PUTTY）刮抹在不平整的混凝土表面，以消除所有縫隙和不平之處；
　　（5）貼合碳纖維布：將粘結劑涂刷在選定的區(qū)域，均勻攤鋪，將成卷的碳纖維布鋪到上面，邊用脫泡輥子沿纖維方向碾壓。在整段碳纖維布完全貼合到混凝土表面之后，再用消泡輥子反復碾壓，以除去纖維絲之間的空氣，使粘結劑包裹纖維絲，達到將纖維浸漬在膠里的目的。然后再涂一層粘結劑。
　　5.設計：
　　5.1適用范圍：
　　（1）鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土構件抗彎加固；
　　（2）鋼筋混凝土梁柱構件的抗剪加固；
　　（3）混凝土柱的抗震加固；
　　（4）砌體的抗震加固；
　　5.2一般原則：
　　（1）設計時將碳纖維布按強度換算成鋼筋量，按照與鋼筋混凝土構件抗彎計算同樣地方法進行計算。合成地截面共同抵抗設計 外力造成的動載荷及增加的靜載荷；
　　（2）計算理論采用極限狀態(tài)法進行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計算；
　　（3）碳纖維沿鋼筋混凝土構件強度不足的主筋方向配置；
　　（4）抗剪加固時可采用封閉式、U形或側面粘貼；纖維方向與軸線方向宜相垂直；
　　5.3抗彎構件極限承載力計算的基本假定
　　（1）受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計
　　（2）梁受彎后，混凝土、鋼筋、及碳纖應變符合平截面假定；
　　（3）碳纖維材料的應力應變關系：σf=Efεf 6.
　　構造一般建議：
　　（1）碳纖維應貼于梁的受拉區(qū)的下緣，如需要貼于梁側面時，宜限于1/4梁高的范圍，對側面的碳纖面積應乘以折減系數(shù)；
　　（2）碳纖維粘貼層數(shù)不宜超過五層；對多層碳纖應考慮共同工作系數(shù)的折減，碳纖層數(shù)過多將導至混凝土結構的脆性破壞；
　　（3）碳纖維的分條粘貼加固的效果優(yōu)于整幅粘貼；
　　（4）碳纖維粘貼應有可靠的錨固，錨固長度應通過計算決定，必要時可另加錨固設施；
　　（5）一般來說，在橋板上的加固，需要粘貼至梁腋處；
　　（6）纖維布互相銜接（接長）的部位采取重疊結構，重疊部分長度為不小于10厘米。