巖土技術交流：碳纖維結構加固技術的原理及應用

　　碳纖維增強聚合物是一種新興的高強材料，最早應用于航空航天等高科技領域。近年來在土木工程領域中的研究與應用得到了迅速發展。較之傳統的結構加固方法，碳纖維加固技術是一種新型高效的加固修復技術，它具有高強、高效、施工便捷、使用面廣等優點。碳纖維加固技術是利用改性環氧樹脂類膠結材料將碳纖維片材粘貼于混凝土表面，從而達到結構補強及改善受力性能的目的。此項技術在美國、日本等發達國家已成熟運用，在20世紀90年代后期國內才開始碳纖維加固技術的研究與應用，雖取得了一定的成果，但至今尚未形成系統的理論。
　　粘貼碳纖維結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面，使兩者共同工作，提高結構構件的（抗彎、抗剪）承載能力，由此而達到對建筑物進行加固、補強的目的。
　　碳纖維加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、筒體、殼體等結構，要求基層混凝土的強度等級不低于C15即可；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。
　　一、碳纖維材料的基本特性
　　碳纖維增強復合材料補強加固所采用的基本材料是高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬固化的碳纖維板或未經樹脂浸漬固化的碳纖維布，統稱碳纖維片材。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件需補強加固部位表面，樹脂固化后與原構件形成新的受力復合體，共同工作。
　　1、碳纖維片材；
　　片材碳纖維材料的拉伸強度在（2400～3400）MPa之間，與普通碳素鋼板拉伸強度為240MPa相比，片材的拉伸強度很高。
　　片材碳纖維材料的彈性模量依片材力學性能不同，碳纖維片材依力學性能分成高模量、高強度和中等模量三類。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。碳纖維的化學結構穩定，本身不會受酸堿鹽及各類化學介質的腐蝕，有良好的耐寒和耐熱性。
　　2、配套樹脂類粘結材料；
　　混凝土結構加固修補配套樹脂系統包括底層涂料，用于滲透過混凝土表面，促進粘結并形成長期持久界面的基礎；油灰，用于填充整個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
　　用于建筑結構加固的碳纖維材料具有優良的力學性能，其抗拉強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，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態，以此類推，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而使用粘結劑后，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，因此粘結劑對碳纖維布的加固起著關鍵的作用，它既要確保各碳纖維絲共同工作，同時又確保碳纖維布與結構共同工作，從而達到加固的目的。