巖土工程師輔導(dǎo)：碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的原理及應(yīng)用

　　碳纖維增強(qiáng)聚合物是一種新興的高強(qiáng)材料，最早應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。近年來在土木工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加固方法，碳纖維加固技術(shù)是一種新型高效的加固修復(fù)技術(shù)，它具有高強(qiáng)、高效、施工便捷、使用面廣等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維加固技術(shù)是利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)及改善受力性能的目的。此項(xiàng)技術(shù)在美國、日本等發(fā)達(dá)國家已成熟運(yùn)用，在20世紀(jì)90年代后期國內(nèi)才開始碳纖維加固技術(shù)的研究與應(yīng)用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統(tǒng)的理論。

　　粘貼碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，使兩者共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的(抗彎、抗剪)承載能力，由此而達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng)的目的。

　　碳纖維加固技術(shù)適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)，要求基層混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C15即可;另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。

　　一、碳纖維材料的基本特性

　　碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固所采用的基本材料是高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經(jīng)樹脂浸漬固化的碳纖維布，統(tǒng)稱碳纖維片材。將片材用專門配制的粘貼樹脂或浸漬樹脂粘貼在橋梁混凝土構(gòu)件需補(bǔ)強(qiáng)加固部位表面，樹脂固化后與原構(gòu)件形成新的受力復(fù)合體，共同工作。

　　1、碳纖維片材;

　　片材碳纖維材料的拉伸強(qiáng)度在(2400～3400)MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強(qiáng)度為240MPa相比，片材的拉伸強(qiáng)度很高。

　　片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學(xué)性能不同，碳纖維片材依力學(xué)性能分成高模量、高強(qiáng)度和中等模量三類。高模量碳纖維片材的彈性模量較高，但其伸長(zhǎng)率較低。

　　相比之下，碳纖維片材的單位重比鋼材低許多，說明碳纖維片材較輕。碳纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本身不會(huì)受酸堿鹽及各類化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。

　　2、配套樹脂類粘結(jié)材料;

　　混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)配套樹脂系統(tǒng)包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進(jìn)粘結(jié)并形成長(zhǎng)期持久界面的基礎(chǔ);油灰，用于填充整個(gè)表面空隙并形成平整表面以便使用碳纖維片材;浸漬樹脂或粘結(jié)樹脂，前者用于碳纖維布粘貼，后者用于碳纖維板粘貼。

　　二、碳纖維布加固的原理

　　用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度一般為建筑用鋼材的十幾倍;但是，碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度并退出工作狀態(tài)，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結(jié)劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大大提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度，故碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能共同工作，因此粘結(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起著關(guān)鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時(shí)又確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，從而達(dá)到加固的目的。

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