在現(xiàn)代建筑工程中，碳纖維布因其卓越的力學(xué)性能和施工便捷性逐漸成為結(jié)構(gòu)加固的熱門選擇。其外觀輕薄，厚度僅有0.1毫米，可能會(huì)讓人產(chǎn)生疑問(wèn)：這么薄的材料真的能用于加固建筑結(jié)構(gòu)嗎？本文將詳細(xì)解析碳纖維布的性能特點(diǎn)和加固原理，以專業(yè)的角度討論其在結(jié)構(gòu)加固中的實(shí)際效用。

 

 

加固用的碳纖維材料

 

碳纖維按其主原料分為三類：聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青(PITCH)基碳纖維、粘膠(RAYON)基碳纖維。從結(jié)構(gòu)加固性能要求來(lái)考量，只有PAN基碳纖維最符合承重結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性要求；粘膠基碳纖維的性能和質(zhì)量差，不能用于承重結(jié)構(gòu)的加固；瀝青基碳纖維只有中、高模量的長(zhǎng)絲，可用于需要高剛性材料的加固場(chǎng)合，但在通常的建筑結(jié)構(gòu)加固中很少遇到這類用途，況且在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，因此，用于結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料，必須選用聚丙烯腈基(PAN基)碳纖維。

 

當(dāng)采用碳纖維布加固時(shí)，對(duì)重要結(jié)構(gòu)，必須采用12k或12k以下小絲束編織的碳纖維布，主要是因?yàn)樾〗z束的抗拉強(qiáng)度十分穩(wěn)定，離散性很小，其變異系數(shù)均在5%以下，且膠液容易浸潤(rùn)、滲透，故在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，均能對(duì)其性能和質(zhì)量進(jìn)行有效地控制；而大絲束的變異系數(shù)高達(dá)15%以上，在試驗(yàn)和試用中所表現(xiàn)出的可靠性較差，故不能作為結(jié)構(gòu)加固材料使用。

 

碳纖維布的材料特性

 

結(jié)構(gòu)加固用的碳纖維布是由聚丙烯腈(PAN)基碳纖維絲制成的織物，其抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍，但密度卻只有鋼的1/4。這種材料的主要特性有：

 

1、強(qiáng)度高：

碳纖維布的抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到3400MPa以上，遠(yuǎn)高于鋼筋和混凝土等建筑材料，同時(shí)彈性模量是鋼材的2倍以上，彈性變形能力強(qiáng)。

纖維材料的抗拉強(qiáng)度高是因?yàn)槔w維具有很小的直徑，其內(nèi)部缺陷要比塊狀形式的材料少得多。比如塊狀玻璃的抗拉強(qiáng)度為40~100MPa，而玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)2000MPa以上，是塊狀玻璃的數(shù)十倍。

 

2、質(zhì)量輕：

用于結(jié)構(gòu)加固的碳纖維布有200g/㎡和300g/㎡，對(duì)應(yīng)的厚度為0.111mm和0.167mm，能夠在不影響加固后使用空間和構(gòu)件自重的前提下，顯著增加結(jié)構(gòu)承載能力和抗震性能。

 

3、耐腐蝕：

建筑工程用的碳纖維布不僅能經(jīng)得起水泥堿性的腐蝕，而且非常適用于經(jīng)常受鹽害侵蝕等腐蝕性環(huán)境，其耐久性能也好，有很好的防水效果，能抑制混凝土的劣化和鋼筋的銹蝕。使用碳纖維布加固的混凝土構(gòu)件具有更長(zhǎng)的使用壽命。

 

4、抗疲勞：

在碳纖維方向加載時(shí)，即使在很高的應(yīng)力水平上，碳纖維布對(duì)拉伸疲勞損傷仍不敏感。與普通鋼筋混凝土相比，碳纖維布加固混凝土的抗疲勞性能有了很大的提高。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維布加固混凝土經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的疲勞循環(huán)荷載，再進(jìn)行靜載強(qiáng)度、撓度試驗(yàn)，與未經(jīng)歷疲勞循環(huán)荷載的對(duì)比試件相比，強(qiáng)度和延性指標(biāo)并沒(méi)有出現(xiàn)降低。而普通的鋼筋混凝土試件經(jīng)歷同樣的疲勞循環(huán)荷載后，其靜載強(qiáng)度及延性指標(biāo)會(huì)有不同程度的降低。這主要是由于碳纖維材料本身抗疲勞性能優(yōu)異，因此，對(duì)承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，如考慮使用碳纖維材料，則會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。

 

5、易施工：

碳纖維布加固施工便捷，大部分工序?yàn)槿斯げ僮鳎瑹o(wú)須特殊的設(shè)備，技術(shù)難度低，沒(méi)有焊接工序，也沒(méi)有噪聲，施工時(shí)需要的場(chǎng)地空間小，可對(duì)結(jié)構(gòu)的各種部位、各種形狀和各種環(huán)境下的構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維布加固還可用于某些用傳統(tǒng)加固方法幾乎無(wú)法施工的結(jié)構(gòu)部位，施工質(zhì)量也易于把控，工作量小，施工工期大大縮短。

碳纖維布抗剪性能較差，因此可用剪刀輕易裁剪出需要的尺寸，但施工過(guò)程中應(yīng)避免折疊堆放，防止碳纖維折損。

 

碳纖維布的加固原理

 

通過(guò)采用改性環(huán)氧樹脂浸漬膠（別名"碳纖維膠"），將碳纖維布粘貼于混凝土構(gòu)件表面，使之形成具有整體性的復(fù)合截面，與結(jié)構(gòu)共同受力，充分發(fā)揮碳纖維布的超高抗拉強(qiáng)度，以提高構(gòu)件承載能力和延性，減少構(gòu)件的變形，并抑混凝土制裂縫的發(fā)展。該方法主要適用于混凝土受彎構(gòu)件，如框架梁板等構(gòu)件的加固，也經(jīng)常用于混凝土壓彎構(gòu)件，如框架柱的延性加固。

 

選用與碳纖維布適配的碳纖維膠是確保加固可靠性的關(guān)鍵，如果碳纖維膠與碳纖維布的浸漬質(zhì)量差、粘結(jié)強(qiáng)度低，可能會(huì)發(fā)生剝離破壞，危及結(jié)構(gòu)安全。加固所用的碳纖維膠應(yīng)選擇有抽檢類別安全性檢測(cè)報(bào)告的產(chǎn)品，且一定要通過(guò)耐濕熱老化性能檢測(cè)。

 

耐濕熱老化性能是保證碳纖維膠長(zhǎng)期使用壽命的關(guān)鍵，而且現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50550中的濕熱老化檢測(cè)方法，檢出劣質(zhì)結(jié)構(gòu)膠的能力非常強(qiáng)。近幾年由于惡性價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，不少無(wú)良廠商紛紛偷換了碳纖維膠中抗老化性能較好的固化劑成分，改用諸如T31之類的固化劑，盡管這類固化劑短期強(qiáng)度很高，但抗老化和抗沖擊剝離能力極差，很容易在耐濕熱老化和抗沖擊剝離試驗(yàn)中被檢出。

 

碳纖維材料的加固應(yīng)用

 

正是由于碳纖維材料的這些優(yōu)點(diǎn)，碳纖維加固在世界范圍內(nèi)被廣泛地應(yīng)用。80年代初，碳纖維布大量地應(yīng)用于有特殊性能要求或是受嚴(yán)重化學(xué)侵蝕的結(jié)構(gòu)。1981年，瑞典Meier最早采用粘貼碳纖維復(fù)合材料加固了Ebach橋，此后十年間，粘貼碳纖維織物加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)在日、美等國(guó)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在日本，碳纖維加固被廣泛用于公路橋梁、鐵路橋梁、隧道、碼頭、房屋建筑等結(jié)構(gòu)中。特別是阪神大地震后用碳纖維布加固震后損壞的結(jié)構(gòu)物，再次經(jīng)歷地震時(shí)均未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。在英國(guó)，碳纖維材料被應(yīng)用于海上石油平臺(tái)，抵抗各種波的沖擊。在意大利，碳纖維布除了用于工業(yè)廠房、展覽大廳、公路橋梁的加固外，還應(yīng)用于歷史建筑遺產(chǎn)的修復(fù)和加固。

 

我國(guó)自1975年11月全國(guó)第一次碳纖維復(fù)合材料會(huì)議之后，一直將碳纖維及其復(fù)合材料納入國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，我國(guó)碳纖維從無(wú)到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成就，工程運(yùn)用已破千項(xiàng)。隨著碳纖維布和樹脂等材料的國(guó)產(chǎn)化以及加固技術(shù)的成熟，碳纖維布加固將會(huì)被更為廣泛地應(yīng)用。

 

結(jié)論

盡管碳纖維布外觀輕薄，但碳纖維布加固技術(shù)已成功應(yīng)用于海內(nèi)外多種建筑結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)工程中。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)、正確的工藝和高品質(zhì)的材料，碳纖維布能夠顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐用性。因此，對(duì)于承載力不足或老化受損的結(jié)構(gòu)，碳纖維布加固無(wú)疑是一個(gè)優(yōu)秀的選擇。