摘要：在加固混凝土结构中,碳纤维加固法经过实践,已取得了较好的经济效果和技术效果,本文通过碳纤维加固技术特点,材料特性等论述,指出了碳纤维加固技术特点,材料特性等的论述,指出了碳纤维加固方法的适用性,使用效果及注意事项等。
关键词：碳纤维 加固 混凝土结构
1 前言
混凝土结构设施的维护,修复和加固已成为当今面临的紧迫课题。用传统材料进行加固往往效率相对较低,要求机械化的程度较高,而且通常出现加固后耐久性差的问题。由于碳纤维布具有高强高效,耐腐蚀、自重轻等优点,用其加固钢筋混凝土结构技术已得到推广应用。
2 碳纤维加固的技术特点
碳纤维有很多种类;其中PAN碳纤维具有优异的物理力学性能、良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点，用于建筑结构补强加固的碳纤维的材料，其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平并略有提高，是一种优良的结构加固用材料。
与其他加固方法比较，碳纤维加技术具有明显的技术优势。
2.1 高强、高效。纤维材料具有优异物理力学性能,在对混凝土结构进行加固补强过程中可以充分利用其高强度、高模量的特点来提高结构及构件的承载力和延性,改善其受力性能,达到高效加固的目的。
2.2 耐腐蚀性能及耐久性。碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐久性，解决了化学腐蚀问题。
2.3 不增加构件的自重及体积。碳纤维布质量轻且厚度薄，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，故不减少建筑物的使用空间。
2.4 适用面广。碳纤维布是一种柔性材料，可任意裁剪，可广泛应用于各种结构类型、结构形状和结构中的各种部位，且不改变结构形状及不影响外观。同时，对于其他加固方法无法实施的结构和构件，诸如大型桥梁的桥墩、桥梁的桥板，以及隧道、大型筒体及壳体结构工程等，碳纤维加固技术都能顺利地解决。
2.5 便于施工。将碳纤维材料用于加固混凝土结构。在施工现场不需要大型的施工机械，占用施工场地少，而且没有湿作业，因而工效很高。
3 碳纤维片材的材料特性
碳纤维片材（CERP systems)是碳纤维片及碳纤维板的总称。碳纤维加固钢筋混凝土结构所涉及的材料主要有两种，一是碳纤维片材，二是配套粘结材料。
3.1碳纤维片材（CERP）
3.1.1 碳纤维是一种碳含量超过90%的纤维状碳材料，是以有机纤维一聚丙烯腈（PAN）纤维，粘胶纤维，沥青纤维等原料在不活泼的气体中经2000℃到3000℃碳化，石墨化等高温固相反应制成的具有轻质，高强，高弹性模量，耐腐蚀的高性能无机纤维。它的比重一般为1.70-1.80g/cm3，热膨胀系数接近于零，抗拉强度比钢筋大10倍，弹性能模量比钢筋大1.8-2.6倍，而密度仅为钢筋的1/5。抗腐蚀性能强，不产生电化学腐蚀，且在氯离子，碳酸和烧碱等到物质中强度降低很少；耐疲劳性好：一般金属的耐疲劳强度为其抗拉强度的40%-50%，而碳纤维可高达70%-80%。
碳纤维片材是采用固化的热固性树脂（通常指环氯树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。根据纤维排列方向又可将片材分为单向纤维片材和双向纤维片材。
3.1.2 目前结构加固、改造与修复技术现状通常可分钢筋混凝土增厚法、体积预加法、片材加固法及隔震、消震法。CERP片材料加固法具有相对密度小，疲劳强度高、耐久性好、耐久性好、耐磨损，施工方便，造价低等特点，且不受施工条件限制基本上不影响原结构的外形。采用FRP抗弯加固混凝土梁的试验表明：在正常的使用荷载下，抗弯刚度提高约17%-99%，抗弯强度提高约28%-97%，在受剪加固试验中，加固的构件受弯承载力有较大幅度的提高，约65%-95%，满足强弯弱剪的抗震要求。几种加固方法的比较表，见表1
3.2 粘结材料
3.2.1 采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固修复时，应采用配套树脂类底层树脂，找平材料，浸渍树脂或粘贴树脂进行加固修复。底层树脂的作用是增强加固表面混凝土与找平材料或粘贴树脂界面粘结强度。找平材料的作用是使加固表面平整度符合规定要求，并与底层树脂及浸渍树脂具有可靠的粘结强度。浸渍树脂是粘结碳纤维布的主要粘结材料，粘结树脂是粘结碳纤维板的主要粘结材料，其作用是碳纤维片材与混凝土得到充分的粘结，使其共同承受结构的作用。
3.2.2 粘结树脂有环氧树脂体系和不饱和聚脂体系等，目前应用最为广泛的是环氧树脂体系，具有良好的加工性，高度的粘合力，收缩性低，稳定性好，吸水率低，机械强度高等优点。其主要性能指标见表2
4 碳纤维加固方法的适用性
4.1 刚度问题
当混凝土楼、屋盖结构由于刚度不足，导致变形过大、开裂严重而影响使用时，不适合用粘贴碳纤维布的方法加固。研究表明，对于梁、板等横向受力构件，当用碳纤维进行加固时，在正常使用极限状态，碳纤维对结构刚度的提高作用小于10%，或基本没有提高。
4.2 碳纤维抗弯加固的适用范围
当混凝土结构由于抗弯承载力不够，采用碳纤维布进行加固时，加固结构的破坏形态一方面取决于原结构的配筋情况，另一方面取决于碳维的用量。现假设原结构为适筋构件，则加固结构的破坏形态可分为如下三种情况。
4.2.1 碳纤维用量较少。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可以达到较高的拉应变。
4.2.2 碳纤维用量适中。破坏时受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维可达到某一中等拉应变。
4.2.3 碳纤维用量较多。破坏时，受压区边缘混凝土压碎，受拉钢筋屈服，碳纤维拉应变很低。
上述三种情况中，第三种情况由于碳纤维用量大且强度利用率低，不宜采用。第一种加固方法适用于截面高度较大的梁，第二种加固方法适用于截面高度较小的板或扁梁。这主要是由于对板或扁梁而言，在碳纤维未达到很高的拉应变时，结构就可能由于变形过大而破坏。具体界限取决于碳纤维极限拉应变和加载方式。
5 使用效果及注意事项
5.1 随着纵向粘贴碳纤维布层数的增加，补强加固效果愈加明显，但碳纤维布层数与构件承载力的提高并不呈线性增长关系。随着布层数的增加，构件承载力增长的速度逐渐减慢，粘贴2层以上碳纤维布时，需要考虑一个共同工作折减系数。
5.2 碳纤维布的抗拉强度存在尺寸效应，随着纤维布宽度的增长率加大，织物极限拉应力有一定的降低。由于不同种类碳纤维的力学性能不同，所以尺寸效应系数应根据实际碳纤维布的种类确定。
5.3 经碳纤维布正截面补强加固的钢筋混凝土构件受拉破坏情况分为两种：一为受压区混凝土达到极限压应变而使构件破坏；二为碳纤维布在弯矩最大截面处达到极限抗拉强度导致构件破坏。
5.4 使用碳纤维布替代纵向受拉钢筋加固补强钢筋混凝土构件，可有效提高构件的正截面承载力。
5.5 与未加固的构件相比，碳纤维布加固的钢筋混凝土构件出现裂缝相对较晚，且发展缓慢，数量较多，裂缝宽度也远小于未加固构件，形成主裂缝的数量也明显减少。
5.6 构件混凝土强度较低时，经过碳纤维布加固后，其受弯承载力的高明显，可达15%。
6 工程实例
某多层钢筋混凝土框架仓库工程，柱网尺寸6m×6m，柱高4.5m，截面为600mm×600mm，柱的四个角设计为R=50mm的圆角。多层框架采用商品混凝土浇注，当主体结构施工到5层楼面时，发现3层部分框架柱混凝土强度低于设计值，随后对整层每根柱混凝土进行现场回弹强度检测，回弹结果表明：部分柱的混凝土强度等级仅为C18左右（为原设计强度的60%）。决定采用碳纤维方法对这部分柱进行加固补强。其增强效果如下：
6.1 碳纤维加固后，基本看不出被加固的痕迹，其截面几何尺寸仅比原设计增大2--7mm。
6.2 一次加固后不需考虑今后使用过程中的维护。虽然碳纤维加固费用比粘钢加固要高，但其施工速度快（这次加固从施工准备到完成仅用了2d）。可节约施工费用，还具有长远的综合效益。
6.3 加固完成后2年内的4次观测表明，加固柱底部和上部测点均未发生变化，粘贴碳纤维加固部位的小锤敲击声固定音频无变化。
