碳纤维增强复合材料在土木建筑中的应用

碳纤维增强复合材料在土木建筑中的应用

使用碳纤维材料加固结构的主要目的，是提高建筑工程承载能力或改善其功能。目前，建筑工程中广泛使用的碳纤维及其复合材料产品具有多种形式，常用的碳纤维及其复合材料产 品主要有碳纤维布、碳纤维板、碳纤维条带、碳纤维网格等，如图１所示。在使用碳纤维材料加固结构的过程中，可以根据加固部位不同、加固方式不同或需要的能力不同分别选用， 例如当需要提高承载力或加固结构构件形状复杂时，可以选择高强度的碳纤维布；当需要提高刚度时则尽量选择碳纤维板，采用嵌入式加固方法时，可以选用碳纤维板或碳纤维条带；而对于平板或柱加固时，则最好选择柔

性格栅材。

新建工程中则主要使用碳纤维筋、碳纤维索、碳纤维型材以及衍生出的碳纤维复合材料构件和结构等，如图2所示。其中，碳纤维筋主要用于混凝土结构中替代钢筋，在腐蚀环境下 可以减少因钢筋锈蚀所产生的结构损伤或破坏，提高结构寿命。而在混凝土结构中的钢筋密集部位使用碳纤维筋，可以减少筋的数量，方便施工，提高施工质量，这也是碳纤维筋目前 主要的应用途径。碳纤维索主要用于桥梁等大跨度结构建设中的拉索或吊索，也可以用于锚索，用以减轻结构自重、提高抗拉能力、改善耐久性等。碳纤维型材以及衍生出的碳纤维复合材

料构件和结构主要用于制造结构受力构件或局部结构单体，以改善构件和结构的性能，适应不同环境或工况要求，还可以利用碳纤维材料的优良性能形成多样化的新型、智能结构。 二、建筑工程结构对碳纤维及其复合材料制品的要求

根据建筑工程应用碳纤维及其复合材料的技术特点，建筑工程结构对碳纤维及其复合材料制品的要求主要

包括力学性能、耐久性能、施工性能3个方面：①要求碳纤维及其复合材料制品在外界作用下具有足够的强度，由于碳纤维材料的高强性能，这一点一般情况下都能够满足要求；②要求碳纤维及其复合材料制品在使用过程中抵抗各种自然环境的作用，保持相应的设计能力；③对于在生产过程中使用的界面材料或粘结材料，也应具备与结构材料的适用性（适配性、耦合效应），以保证施工工艺的合理实现。基于我国建筑工程应用碳纤维材料的经验和研究成果，目前基本形成的建筑工程应用碳纤维材料的相关标准体系，已有近10部相关标准，涉及材料标准、设计标准及工程应用标准等，如表1所示。这些标准对相关指标的规定主要包括基本力学性能指标、耐久性指标、工艺性能指标、特殊要求 2.重要的碳纤维建筑材料 2.1 碳纤维增强混凝土

由于水泥砂浆与混凝土中存在抗拉强度低, ，干缩率大，, 变形能力低, ，脆性大和抗冲击性能差等缺点, 而且在某些特种条件下(酸、碱、潮湿环境中)，由于钢筋的抗腐蚀性差而面临着严峻的挑战。然而碳纤维以其高强、质轻、优良的抗疲劳性、抗冲击性、抗震性和耐腐蚀性完全弥补了钢筋混凝土的不足。碳纤维增强水泥的研究和应用在国外发达国家尤其是日本已经达到广泛的研究和应用, 而我国尚处在研发阶段。2 0 02 年n 月在郑州召开的全国第九届纤维水泥和纤维混凝土学术会议上, 关于碳纤维增强混凝土的论文已经很多短切碳纤

维加人混凝土中, 目前主要应用于需要减重、防震、耐腐蚀的环境中或喷射混凝土和道路工程中; 将碳纤维长丝支撑预应力筋, 代替钢筋埋植于混凝土中, 主要用于海洋工程、大跨度桥梁及需要电磁透过的工程结构或结构加固的场合; 将碳纤维长丝支撑预应力绞绳, 用于大跨度桥梁的拉索或大跨度空间结构的悬索拉索等; 将短切碳纤维或连续碳纤维应用于各种公路路面及桥梁路面工程和高速公路的防护栏, 以提高工程的质量及耐久性; 将碳纤维棒材与混凝土制成预制件, 包括梁、板、屋架或网架, 充分利用碳纤维的质轻、高强、耐腐蚀等优点。短切碳纤维填充到混凝土中, 不仅约束微裂缝扩展, 提高混凝土的抗裂性、抗渗性和抗冻性, 减少干缩变形, 而且可以明显地改善混凝土结构的物理力学特性。提高结构的抗震性和抗疲劳特性, 这是由于碳纤维具有高强度和高弹模的优势。另外, 碳纤维增强混凝土具有良好的压敏性, 而且具有一定导电性, 如果在混凝土中埋藏电极, 可有效实现对混凝土结构件的在线检测(应变) 和安全监控(损伤程度)。在实际应用中, 可实现对桥梁幕墙建筑的智能化管理。因此, 短切碳纤维增强混凝土不仅具有减重增强的优点, 而且还是一种智能材料, 将来必然具有良好的发展前景。 2.2 碳纤维加固材料

碳纤维加固是美日等国家所研发的, 应用在土木工程中的新型加固增强技术。该方法采用同一方向排列的碳纤维织物, 在常温下用环氧树脂粘贴于混凝土结构表面, 利用其紧密粘着于混凝土结构表面, 使二者作为一个新的整体, 共同受力, 是一种非常简单且优良的加固增强方法, 与传统的粘钢加固不同, 碳纤维加固在不增加结构物的荷重的前题下达到高效加固的目的。

采用碳纤维材料( CFRP)加固混凝土结构技术是一种新型、简便、高效的混凝土结构加固技术, 它是将具有高抗拉强度、高弹性模量的碳纤维材料利用高性能的环氧树脂类粘结胶粘贴在混凝土结构的表面, 使碳纤维材料与原混凝土结构形成整体, 从而增强混凝土结构的承载能力。

20 世纪80 年代末，基于粘钢加固法的思路，出现了纤维增强塑料( Fiber Reinforced Plastic，简称FRP) 补强加固混凝土结构的方法，近几年在国内外逐渐被推广应用开来，已完全产业化。碳纤维布加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补。碳纤维布加固技术是纤维增强塑料应用技术中一种使用较

普遍、性能较好的结构外部加固新技术。碳纤维布重量轻, 施工时不用任何重型设备, 其又很薄不需要较大的空间, 尤其是在该工程加固空间紧张的情况下, 更能显示这一优越性。加

固钢筋硷结构, 采用粘贴强度高和高弹性模量的碳纤维的

办法, 也能取得类似于钢板的同样加固效果, 但其结构重量未增加, 外表也轻巧美观。有极好的耐久性,由于加固只使用碳纤维和配套树脂, 因而不会出现生锈, 并具有耐酸、碱、盐和大气环境腐蚀等性能, 碳纤维布有极好的抗化学作用。碳纤维加固一般只需手工操作, 不受施工空间的限制, 施工进度快。不论方形、矩形、六角形及各类不规则形, 加固后均可保持物体原状, 不影响表面装饰。 1 碳纤维布加固技术 1． 1 碳纤维加固技术原理

碳纤维布( Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP) 结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高构件承载能力，由此达到对建筑物进行加固补强的目的。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，同时又要确保碳纤维布与结构共同工作，从而达到加固的目的。 1． 2 碳纤维加固特点［1］

1) 高强高效。FRP 材料物理力学性能优异，在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高结构的承载力，改善其受力性能，达到高强高效的目的。2) 施工工序简单。可用小型电动工具操作，不像传统补强方法需要众多工种、大量劳动力、大型施工设备及吊装机械。可在传统技术无法

施工的有限作业空间内施工，而且进度快，工期短，更能在持续交通的情况下操作，从而大大缩短工程停工、停运的时间。3) 根据受力分析可以进行多层粘贴。其方向也可以灵活掌握，可裁剪，易于操作。4) 耐腐蚀性能及耐久性能好。FRP 多具有优异的化学稳定性，使经过补强和维修的结构具有抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力; 具有足够的适应气温变化的能力; 易于外加防火涂层后以有效防火; 可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。5) 耐疲劳性能好。经常承受往复荷载、移动荷载的作用，对这类结构加固后要考虑结构的抗疲劳性能。6) 适用面广。粘贴FRP 加固修补混凝土结构可以广泛应

用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位( 如梁、板、柱、节点、拱、壳等) 的加固修补，而且不改变结构形状及不影响结构的外观，这是目前其他结构加固方法所不可比拟的。尤其对一些大型土木工程，采用传统的加固手段几乎无法实现，而采用FRP 加固技术都能很好地解决。7) 纤维材料质轻而薄。几乎不增加结构自重和截面尺寸; 对原结构几乎不会造成新的损伤; 施工质量能够保证。 碳纤维布在加固钢筋混凝土梁中的应用 3． 2 碳纤维布的粘贴施工 碳纤维布的粘贴施工步骤如下［3］:

1) 制作准备。加固前应对所加固的构件尽可能卸荷。然后在梁表面将需要粘结碳纤维布的区域用墨线标示出来，准备好施工用的碳纤维布、配套树脂、机具等。

2) 表面处理。混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。清除梁表面，接着采用角磨机将要粘贴碳纤维布的梁表面打磨平整，除去表层浮浆、灰尘等杂质，直至完全露出新混凝土界面，再用压缩空气将其吹干净。在粘结碳纤维布前用丙酮将此表面清洗一遍，并使其干燥。 3) 涂刷底层树脂。按产品商提供的工艺规定进行配制底层树脂，将称量好的主剂和固化剂进行充分混合，采用软毛刷将配制好的底层树脂在墨线标示的加固区域涂刷一道，使底胶充分渗透到梁表面。

4) 找平处理。按产品生产商提供的工艺规定进行配制找平树脂，将称量好的主剂和固化剂进行充分混合，采用油灰刀将配制好的找平树脂涂抹于砂浆的凹处，将凹面修补平整。转角处也应用找平树脂胶修补成光滑的圆弧，半径不小于10 mm。找平树脂表面脂干后，尽快进行下一道工序。

5) 粘贴碳纤维布。按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。按产品生产商提供的工艺规定进行配制浸渍树脂，将称量好的主剂和固化剂进行充分混合，采用软毛刷将配制好的浸渍树脂均匀涂抹于墨线标示的加固区域。将碳纤维布用手轻压粘贴于粘贴位置，采用专用的滚筒顺纤维方向多次滚压、排气，使浸渍树脂充分浸 透碳纤维布。

6) 表面防护及养护。碳纤维布粘贴完成后采用塑料薄膜将试件覆盖，待粘结剂完全固化。碳纤维布的角部由于应力集中，应力相对较大，所以端部必须锚固。最后，采用外用水泥砂浆做面层。