浅谈碳纤维布加固混凝土结构的原理.doc

1．前言碳纤维增强材料简称碳纤维是近十年来在发达国家新兴的一种加固混凝土结构的新材料以其优异的力学性能在工程领域日渐受宠被人们称为“结构加固的新星”。采用碳纤维加固技术具有如下几个特点：1.1强度高。碳纤维片材的抗拉强度一般都在3500MPa以上远高于钢材；抗拉弹性模量为230000～430000MPa亦高于钢材。因此它的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000MPa/g/cm3以上而Q235钢的比强度仅为59MPa/g/cm3左右比模量也比钢材高。1.2施工简便、快捷。使用碳纤维加固构件不需大型施工机构及周转材料易于操作施工周期短经济性好。1.3抗酸碱盐类介质的腐蚀应用面广。加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性可以应用于各种工作环境的构件加固。1.4可以有效的封闭混凝土结构的裂缝延长结构的使用寿命。1.5易于保持结构原状基本不增加结构自重及截面尺寸。2．材料碳纤维加固钢筋混凝土技术所涉及的材料主要有两种：一是碳纤维布；二是配套树脂类粘结材料。2.1碳纤维增强材料（CFRP）CFRP乃英文CarbonFibireReinforcementPolymer的首字母缩写意为碳纤维增强材料。碳纤维丝的产生是通过氧化有机聚合物（通常是聚丙稀硝胺纤维或乳化沥青）只留下碳素材料其碳原子沿原有纤维长度排列整齐而形成碳素纤维。每根碳纤维丝由3000～12000个碳原子丝以绞线或麻绳的方式排列而成其粗细仅相当于人的1根头发丝。碳纤维成品可以制成不同的型材如纤维布、纤维板、棒材、短纤维等根据不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中应用量最大和最普通的还是碳纤维布（片材）。表1列出了我国《CECS146－2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》规定的碳纤维布的主要力学性能指标要求。表1碳纤维片材的主要力学性能指标性能项目碳纤维片碳纤维板抗拉强度标准值fcfk≥3000MPa≥2000MPa弹性模量Ecf≥2.1x105MPa≥1.4x105MPa伸长率≥1.5％≥1.5％2.2配套树脂类粘结材料（粘结剂）粘结材料是施工成功的重要保证。为了使被加固构件与碳纤维布共同受力要求粘结剂对被粘贴界面和碳纤布有较高的粘结力和强度抗拉、抗压特别是粘贴抗剪强度应高于混凝土相应的强度而且粘结材料对界面和碳纤维布都要有良好的渗透性和相容性还能够抗冲击、耐疲劳抗老化等。采用碳纤维片材对混凝土结构进行加固修复时通常选用配套底层树脂、找平材料、浸渍树脂和粘结树脂所选材料除满足上述要求外尚应满足施工简易的要求。一般要求底层树脂及找平材料的正拉结强度大于2.5MPa且不小于被加固混凝土拉结强度的标准值ftk而浸渍树脂和粘结树脂性能指标则应达到表2的要求。表2浸渍树脂和粘结树脂性能指标抗剪强度拉伸强度压缩强度弯曲强度正粘结强度弹性模量伸长率≥10MPa≥30MPa≥70MPa≥40MPa≥2.5MPa≥1500MPa1.5％3．碳纤维的补强、加固原理粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面使两者共同工作提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力。用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能其抗拉强度约为普通钢材的10倍；但是碳纤维材料织成碳纤维布后其中的各碳纤维丝很难完全共同工作在承受较低的荷载时一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态以此类推各碳纤维丝逐渐断裂直至整体破坏。而使用粘结剂后各碳纤维丝能很好地共同工作大大提高碳纤维布的抗拉强度故碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能共同工作因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键的作用它既要确保各碳纤维丝共同工作同时又确保碳纤维布与结构共同工作从而达到补强、加固的目的。值得注意的是使用碳纤维进行加固时具体粘贴层数要通过计算确定考虑到各层的共同工作系数抗疲劳的能力和避免脆性破坏一般不宜超过5层。另外从受力性能角度而言单层优于多层窄幅优于宽幅；必要时纵向可以搭接搭接长度不能少于100mm而且要保证碳纤维端部有可靠的锚固除计算要求外还应有必要的构造措施。4．碳纤维布在混凝土结构加固中的机理分析碳纤维加固技术应用广泛适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可这里着重介绍碳纤维布加固钢筋混凝土抗弯、抗剪、抗震构件的机理作用其它从略。4.1碳纤维加固钢筋混凝土抗弯构件。钢筋混凝土受弯构件的抗弯加固是通过将碳纤维布粘贴于构件受拉区代替或补充钢筋的受拉性能从而提高构件的抗弯承载力。粘贴碳纤维后在构件受拉区混凝土开裂前碳纤维的应变很小；在混凝土开裂后碳纤维布逐渐参与共同工作应变增长加快；