建筑结构加固中的混凝土结构碳纤维加固技术

摘 要：碳纤维材料加固技术具有与其它传统加固方法无法比拟的优越性及良好的经济效益、社会效益和环境效益,随着碳纤维材料成本的降低及国内外研究的不断深入,该项技术在混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛,具有广阔的发展前景.

关 键 词：混凝土结构；碳纤维加固；技术探讨

1以前对混凝土结构常用的加固方法

目前,工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：

1.1加大截面加固法

加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋,同时在外侧重新浇筑混凝土以增大构件的截面尺寸,来达到提高承载力的目的.其优点是可以同时增大构件的刚度、承载力和变形能力,部分情况下也可以加强连接的可靠性.

1.2外包钢加固法

外包钢加固法是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固.该方法不仅通过约束原构件来提高其承载力和变形能力,还可以增加配筋量,提高承载力.

1.3预应力加固法

预应力加固方法是通过预应力钢筋对构件施加体外预应力,以承担梁、板、屋架和柱所承受的部分荷载,从而提高构件的承载力.

1.4粘钢加固法

粘钢加固法是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘结钢板,以提高结构承载能力和变形能力的一种加固方法.其优点是简单、快速,施工时对生产活动和居民生活影响较小.

1.5玻璃钢加固法

玻璃钢是一种复合材料,它具有与混凝土的线膨胀系数相近、比强度高、优良的电磁缘性等特点,可分别在梁底面和侧面粘贴玻璃钢来增强钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪承载力,并改善梁的变形性能.

1.6喷射混凝土技术

喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土.喷射混凝土具有较高的力学性能和良好耐久性,特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的粘结强度,可以在结合面上传递拉应力和剪应力.

对于上述加固方法,国内外的很多科研机构都已进行了大量的研究工作,并且大都已经用于实际工程,这在很多文献中都有记载.然而,这些加固方法都有一定的缺陷,例如：加大截面加固法增加了结构的自重,减小了使用空间；预应力加固法、外包钢加固法及粘钢加固法应进行可靠的防锈蚀处理等.为此,工程界需要新兴的、科技含量较高的加固技术.

近年来,纤维材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点.随着材料技术的发展,现在已开发出来了多种高科技纤维,上面提到的玻璃钢（玻璃纤维增强塑料）就是其中的一种.随着碳纤维材料被应用于建筑业,碳纤维加固混凝土结构新技术随之出现.

2碳纤维加固混凝土结构的技术特点

碳纤维有很多种,其中PNA基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,非常适用于土木工程领域.用于建筑结构补强加固的碳纤维材料,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上并略有提高,是一种优良的结构加固用材料.碳纤维材料的这些特点,为建筑结构的补强与加固提供了技术支持.

与原有的加固方法比较,碳纤维材料加固技术具有明显的技术优势,主要体现在：

2.1高强高效

由于碳纤维材料优异的物理力学性能,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腐蚀性及耐久性,解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问题.

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,基体上不增加原结构的自重及尺寸,也就不会减少建筑物的使用空间,这在“寸土寸金”的经济社会中无疑是重要的.

2.4适用面广

由于碳纤维布是一种柔性材料,而且可以任意地裁剪,所以这种加固技术可广泛地应用于各种结构类型、各种结构形状和结构中的各种部位,且不改变结构及不影响结构外观.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、桥梁和桥板,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碳纤维加固技术的发展概况

碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究工作开始于80年代的美、日等发达国家.自80年代末至今,日本、美国、新加坡以及欧洲的部分国家和地区的众多大学、科研机构、材料生产厂家等都相继进行了大量碳纤维材料用于混凝土结构补强加固的研究开发,并在此基础上已编制形成了自己国家的行业标准与规范.日本的阪神大地震之后,很多工程就是用碳纤维材料加固修补的.建筑物的抗震加固技术在日本、韩国、美国、欧洲、台湾等国家和地区得到了迅速的发展和广泛的应用.

碳纤维材料在土木工程领域的应用已非常广泛,概括起来主要有以下几途径：

（1）在搅拌混凝土的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土,用于新建结构.现已应用于某些工程中.

（2）长丝制成束状（棒材）在现浇混凝土中代替钢筋用于新建结构,主要用于海洋结构及对电磁波有特殊要求的结构,现已有研究并开始应用于实际工程.

（3）将碳纤维制成织物（片材）,粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固,是重点研究的一个方面,也是实际工程中应用最多的一种.

随着人们对碳纤维加固混凝土结构技术优势认识的逐渐提高,现在国内已有越来越多的高校和科研机构开始重视这一新兴加固技术的科学研究和应用,并投入了大量的资金和人力来发展和完善这一技术.

4碳纤维加固技术存在的不足

碳纤维复合材料的耐久性好,抵抗酸、碱腐蚀的能力强,对原结构的影响较小,施工方便,具有其他加固手段所不具备的优点.用碳纤维复合材料进行混凝土结构的加固,可以有效的提高混凝土结构的承载能力,改善结构的变形性能,增强结构的抗震能力,提高结构的抗疲劳性能,综合加固效果显著.但是,碳纤维复合材料加固混凝土结构技术仍存在一些不足之处.

（1）碳纤维是一种线弹性脆性材料,只有当构件发生较大变形时,才能充分发挥其高强高弹模的性能.而混凝土结构对变形有比较严格的控制,在一定程度上限制了碳纤维复合材料能力的发挥.

（2）碳纤维布加固混凝土结构后,容易发生粘贴剥离破坏,使加固后混凝土结构呈现明显的脆性破坏形态,对结构的可靠度水平有所影响.

（3）目前对碳纤维复合材料加固混凝土结构在长期荷载、冲击荷载作用下受力性能的研究较少,在类似方面应用时应有专门研究.

（4）对于碳纤维材料加固混凝土梁、柱的抗剪及抗弯加固机理和计算方法已有了成熟的研究和应用成果,但对碳纤维材料加固剪力墙等方面的研究理论还较缺乏.

（5）进行碳纤维复合材料加固时,采用建筑结构胶作为碳纤维复合材料和混凝土结构的粘结剂,该粘结剂对温度比较敏感,使加固构件的受力性能受温度的影响较大,应进一步加强该方面的研究工作.

5结语

综上所述,近些年来,随着人们对建筑物补强加固研究课题投入的增多,相应的研究成果也越来越多,碳纤维材料由于广泛应用于建筑业,所以碳纤维加固混凝土结构新技术也越来越受人们的欢迎.本文主要是对碳纤维加固技术的特点及未来发展的论述.