碳纖維復(fù)合材料在加固混凝土方面的應(yīng)用分析

摘要：碳纖維材料本身具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗蠕變、耐酸堿腐蝕等的優(yōu)良特性，將碳纖維運(yùn)用到混凝土中能夠有效改良傳統(tǒng)混凝土的特性，形成一種新型的智能型混凝土。文章通過介紹碳纖維材料加固混凝土的原理以及碳纖維的性能，探究其在加固混凝土方面的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：碳纖維；混凝土；加固

中圖分類號：TU599 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0155-01

作為一種高性能的復(fù)合型材料，碳纖維一直用于體育、航空航天等產(chǎn)業(yè)的材料應(yīng)用，隨著經(jīng)濟(jì)和科研力度的不斷提升，近年來，碳纖維的價格不斷降低，這促使這種高性能的材料在房屋建筑、市政、道路橋梁等行業(yè)逐漸得到應(yīng)用。由于該種復(fù)合型材具有耐久性強(qiáng)、耐腐蝕的特點，因此在建筑等行業(yè)中主要應(yīng)用于改變構(gòu)件受力性能以及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。而混凝土作為目前使用最為廣泛的建筑原材料，它的工程力學(xué)性能一直是人們關(guān)注的問題，隨著科研技術(shù)地不斷發(fā)展，混凝土逐漸向高強(qiáng)度、多功能以及智能化的方向發(fā)展，碳纖維混凝土的出現(xiàn)是無機(jī)材料和有機(jī)材料的高效融合，這是一種新型的智能材料，碳纖維的使用能夠大大改良混凝土的特性。

1 碳纖維材料的物化性質(zhì)

碳纖維是含碳量高達(dá)90%的復(fù)合型材料，其具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗蠕變、耐酸堿腐蝕、可傳熱以及可導(dǎo)電等優(yōu)良性質(zhì)，其密度比鋁小，但強(qiáng)度比鋼材的強(qiáng)度還要大，它的耐腐蝕性要比不銹鋼的耐腐蝕性還要優(yōu)越，其耐高溫性比耐熱鋼的還強(qiáng)，因此它是集力學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性能為一身的化工新材料。將碳纖維運(yùn)用在混凝土中，對混凝土的延展性、抗沖擊性等顯著改善，尤其是能夠顯著改善傳統(tǒng)混凝土脆性大的缺點，增強(qiáng)其韌性。和抗疲勞性。

2 碳纖維復(fù)合材料對混凝土的加固原理

在混凝土中加入碳纖維對混凝土進(jìn)行加固，這種方法從1996年就已經(jīng)被引入到國內(nèi)，并很快受到工程界的強(qiáng)烈關(guān)注。其加固原理是將碳纖維復(fù)合材料通過一定的技術(shù)粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面，通過混凝土結(jié)構(gòu)和碳纖維材料之間的協(xié)同作用，最終達(dá)到對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)，并有效改變混凝土結(jié)構(gòu)性能的目的。

3 碳纖維復(fù)合材料在混凝土加固中的應(yīng)用

加固混凝土構(gòu)件中使用的碳纖維材料通常有兩種，一種是碳纖維材料，一種是配套樹脂。正如上文提到的，碳纖維材料有高強(qiáng)度、自重輕、高彈性模量等優(yōu)良特點；配套樹脂包括有粘結(jié)樹脂、找平樹脂以及底層樹脂，其中粘結(jié)樹脂的作用是使混凝土和碳纖維材料形成統(tǒng)一的復(fù)合材料，而后兩種樹脂的作用則是提高混凝土構(gòu)件和碳纖維材料。混凝土通過和碳纖維復(fù)合型材料的共同作用，達(dá)到提高混凝土抗剪承載力和混凝土構(gòu)件的抗彎能力，進(jìn)而達(dá)到了結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和加固的目的。

按照碳纖維原絲的不同能夠?qū)⑻祭w維布分成黏膠基、PAN基以及瀝青基等三種類型的碳纖維布。在對混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固時需要對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)施工設(shè)計、構(gòu)件腐蝕以及其實測強(qiáng)度等材料，利用碳纖維布對構(gòu)件或者混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計。加固用的膠粘材料包括三種：第一，底涂膠。將其涂在混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的表層，能夠使表層的強(qiáng)度得到加強(qiáng)，這樣就能夠有效提高碳纖維和混凝土的粘結(jié)性；第二，浸漬樹脂，其能夠使碳纖維片材相互結(jié)合在一起，并使其呈現(xiàn)出硬化的板狀物，并能夠使混凝土和碳纖維強(qiáng)力粘結(jié)在一起，使兩者構(gòu)成一個統(tǒng)一的復(fù)合體；第三，修補(bǔ)膠。該膠粘材料可以對混凝土表面進(jìn)行平整，得到平整后的構(gòu)件能夠和碳纖維材料更好結(jié)合在一起。

4 碳纖維復(fù)合材料加固設(shè)計計算

用于混凝土構(gòu)件加固的碳纖維復(fù)合型材料主要是上文介紹的碳纖維布，其在實際工程中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在提高混凝土結(jié)構(gòu)的受剪承載力、受彎承載力、抗震力以及抗疲勞能力等。使用碳纖維布對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時要堅持以下兩個基本原則：

①對那些鋼筋銹蝕程度比較小，并且外觀相對完好，并且保護(hù)層沒有開裂的混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，對其計算承載力時，為了方便計算可以認(rèn)為混凝土和鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度以及自身強(qiáng)度沒有降低。針對這類構(gòu)件進(jìn)行加固處理時只需要對其進(jìn)行防腐蝕預(yù)防加固就能夠提高構(gòu)件的抗腐蝕性能。即對這一類型的混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固時只是結(jié)構(gòu)性加固，并不需要計算使用碳纖維布的數(shù)量。

②對于那些表面防護(hù)層已經(jīng)破裂，鋼筋銹蝕程度比較深的混凝土構(gòu)件，由于其鋼筋嚴(yán)重銹蝕，所以鋼筋截面減少嚴(yán)重，這導(dǎo)致鋼筋的強(qiáng)度嚴(yán)重降低，并且其和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低。因此在針對這一類型的混凝土構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)時要考慮實際的結(jié)構(gòu)銹蝕程度，計算所需的碳纖維布的數(shù)量。通過計算橫向和縱向使用的碳纖維布的數(shù)量，進(jìn)而達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪承載力和抗彎承載力。這種類型的加固是對混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的提高。

計算碳纖維布用量時，應(yīng)按照受力相等的力學(xué)原理，通過等效轉(zhuǎn)換的方法把碳纖維布的面積等效轉(zhuǎn)化成鋼筋面積，公式表達(dá)為：

其中，Ase是抵抗不足彎矩需要的鋼筋截面積，Acfs是碳纖維布的橫截面積，fcfs是碳纖維布容許拉應(yīng)力，單位取MPa，fy是鋼筋抗拉強(qiáng)度，令fcfs=φ×β×1800，φ在這里表示為碳纖維布利用系數(shù)，按照我國目前實際工程設(shè)計的情況，建議取其值為0.85，β是層數(shù)折減系數(shù)，取值時按照表1中的規(guī)定選擇準(zhǔn)確的值。

取碳纖維布的凈面積，其計算公式為：

其中，tcfs表示的是碳纖維布的厚度，n是粘結(jié)層數(shù)，Bcfs表示的是碳纖維布的幅度。

5 工程實例

某實驗大樓建成時間是1988年，在2009年對該實驗大樓的質(zhì)量檢測報告中顯示大樓結(jié)構(gòu)中有部分框架梁端出現(xiàn)了明顯的裂縫，這對大樓造成了嚴(yán)重的質(zhì)量安全隱患，因此要對出現(xiàn)質(zhì)量問題的梁進(jìn)行加固處理。考慮到該實驗大樓的正常使用功能，設(shè)計人員選用具有高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合型材料對這部分梁進(jìn)行加固，這樣不僅能夠方便施工，還能夠大大縮短工期。經(jīng)過對工程實際情況進(jìn)行探明并對碳纖維材料進(jìn)行綜合考量后，決定選用FTS-CI-20碳纖維布對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘貼。

該碳纖維布的性能指標(biāo)是：纖維布厚度0.112 mm，重量為200 g/m，纖維為單方向，其彈性模量是2.33×105 MPa，抗拉強(qiáng)度是3 545 MPa。工程選用的膠粘性材料為FE膠、FP膠和FR膠，這幾種樹脂膠使用溫度為6～34 ℃，粘貼強(qiáng)度是2 MPa，抗剪強(qiáng)度是10 MPa，使用時間在25～120 min。由于本次加固屬于結(jié)構(gòu)性加固，因此不需要計算碳纖維布的層數(shù)，直接加固。加固采用的U型粘貼的方案直接進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)加固。經(jīng)過加固以后，梁的抗剪承載力比未加固前提高了42%～61%，施工期間沒有妨礙大樓的正常使用，工期為2 d。

通過該工程實例證明，采用碳纖維復(fù)合型材料不僅大大方便了施工，同時也顯著提高了混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

6 結(jié) 語

總之，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越的物理、化學(xué)以及熱學(xué)特性，在加上其價格上逐漸顯現(xiàn)出來的優(yōu)勢，它在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用必將逐漸廣泛。盡管在目前建筑工程中的使用還有某些方面的不足，但是隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的未來，這種新型的復(fù)合型材料在實際工程中的應(yīng)用中必定會越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣麗珍，李慧英，蔣文文.碳纖維復(fù)合材料在房建加固工程中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，（10）：36-38.