碳纖維加固混凝土技術(shù)研究進展綜述

  纖維增強塑料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)是土木工程中發(fā)展起來的一項新型加固技術(shù)。由于具有強度高、高模量、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點，這種新型的碳纖維加固材料在鋼筋混凝土加固領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通過FRP材料外包混凝土能夠使混凝土在三相受壓狀態(tài)下工作，其抗壓承載能力和變形能力顯著提高，并且能夠使結(jié)構(gòu)中的軸壓構(gòu)件與抗彎構(gòu)件的力學(xué)性能得到改善，在加固領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用空間。碳纖維加固技術(shù)開始于20世紀80年代，于90年代后期在我國迅速發(fā)展起來，目前國內(nèi)外很多科研單位和高校就碳纖維加固混凝土構(gòu)件這項新技術(shù)進行了大量的理論研究和探索。

  1碳纖維加固技術(shù)的特點

  （1）化學(xué)性能穩(wěn)定。碳纖維材料對溫度具有良好的適應(yīng)性，對酸性、堿性，鹽也有良好抗性，并且抗紫外線和防水等方面性能也比較好。

  （2）具有較高的強度。比重僅為鋼材的四分之一，它的碳纖維拉伸強度卻為鋼材的7～10倍，在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固補強過程中，碳纖維材料強度高、模量高等優(yōu)異的物理性能可以得到很好的利用，從而可以提高結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性。

  （3）施工簡單。用碳纖維加固不需要大型工具，占用施工場地少，并且不用濕作業(yè)，現(xiàn)場使用時根據(jù)尺寸需要可以采用剪刀或刀片裁剪，其施工工效是粘貼鋼板工效的4～8倍。

  （4）適用范圍廣。碳纖維材料可以根據(jù)需要任意裁剪，不僅不改變結(jié)構(gòu)形狀，而且不影響結(jié)構(gòu)外觀，所以被廣泛應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)類型。

  2國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

  在20世紀80年代初，日本人就開啟了碳纖維技術(shù)在加固技術(shù)中的應(yīng)用，專門研究發(fā)展修復(fù)加固新技術(shù)，把碳纖維布像貼鋼板一樣貼到混凝土上。政府機構(gòu)組織協(xié)調(diào)，制造商們研制材料，工程公司進行運用研究，迅速地將這門技術(shù)運用到工程實踐中。1991年，瑞士首先進行橋梁碳纖維加固試驗研究，并在同年7月成功用于伊巴赫橋的加固工程。1995年神戶大地震后日本的碳纖維加固混凝土技術(shù)迅速發(fā)展。到1997年，英國至少有30座橋梁采用了碳纖維加固。

  GangaRao等進行了三面包裹碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的抗彎試驗和耐久性試驗。結(jié)果表明：粘貼碳纖維的混凝土試件在溫度、濕度、天氣的變化和化學(xué)腐蝕下能夠保持良好的工作性能，梁的極限強度和剛度都有提高，提高程度和碳纖維的粘貼量有關(guān)，有損傷試件用碳纖維加固后強度和剛度性能與無損傷試件加固的相似。

  Malek對受剪加固梁中FPR承擔(dān)的剪力的計算進行了理論分析，討論了各種參數(shù)對受剪承載力的計算方法，討論了各種參數(shù)對受剪承載力的影響，并提簡化計算公式。

  H.Ichinalsu采用不同類型的CFRP對板加固進行試驗理論研究分析。結(jié)果表明：加固時的粘貼材料可以以網(wǎng)格的形式，只要凈間距<200mm，板的裂縫與CFRP的相對位置對受力性能無直接影響；單向的CFRP比CFRP織物容易粘貼，工作量較少。

  Saadatmalnesh等進行了鋼筋混凝土梁粘貼玻璃纖維板加固的試驗，結(jié)果表明加固后的梁，尤其是低配筋梁抗彎強度提高、裂縫寬度減少，試件的延性有所降低，認為在進行加固時選擇好膠黏劑的韌性和粘貼面非常重要。

  3國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

  我國進行土建工程碳纖維加固研究開始于90年代末，采用碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)也只是我國近十幾年的事情，例如北京人民大會堂、歷史博物館、天津普濟河道立交橋等物的補強修復(fù)，以及對河北邯鄲、張家口橋梁的加固等。

  歐陽熠等在彈性理論的基礎(chǔ)上分析了線性荷載作用下粘貼片材加固的鋼筋混凝土梁端部粘結(jié)剪應(yīng)力和較大粘結(jié)剪應(yīng)力，提出了對較大粘結(jié)剪應(yīng)力的影響因素及在均布荷載和集中荷載作用下的剪應(yīng)力計算方法。

  李榮等按極限平衡法進行了粘貼碳纖維加固鋼筋混凝土梁的設(shè)計計算，為了避免碳纖維拉斷的脆性破壞，必須對碳纖維的極限應(yīng)變加以限制。

  吳剛等進行了粘貼碳纖維抗彎加固無加載歷史的鋼筋混凝土梁實驗，在極限平衡狀態(tài)基礎(chǔ)上提出了加固后梁正截面承載力的計算方法。

  趙彤等通過實驗研究了碳纖維粘貼量對于鋼筋混凝土梁受彎性能的影響，認為可以將碳纖維布的面積等效成鋼筋面積后參照正截面承載力計算公式進行計算。

  曹雙寅等進行了外貼玻璃纖維加固鋼筋混凝土懸臂板的實驗，認為正截面承載力計算方法能夠用于對粘貼玻璃纖維加固的構(gòu)件的分析。

  4碳纖維加固混凝土存在問題

  碳纖維復(fù)合材料加固混凝土雖然具有很多優(yōu)點，但是在理論研究和實際應(yīng)用方面還是存在諸多的不足。（1）碳纖維的力學(xué)特性的研究不足，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析導(dǎo)致往往通過實踐經(jīng)驗來加固，沒有相應(yīng)的施工標準和技術(shù)指南。（2）對于碳纖維疲勞以及抗震性能的研究也不夠透徹。對于碳纖維布的加固方法是否可以提高節(jié)點核心的抗震承載能力需要進一步進行研究。（3）相配套的結(jié)構(gòu)粘合劑的耐高溫性不足。（4）碳纖維加固混凝土的造價成本過高。（5）碳纖維對某些十字交叉的混凝土構(gòu)件加固難以實現(xiàn)。

  5結(jié)語

  主要通過碳纖維材料加固混凝土的特點、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的主要問題對碳纖維加固混凝土技術(shù)進行了分析?？梢钥吹诫S著碳纖維加固技術(shù)的不斷成熟，它的應(yīng)用前景將不斷擴大。而且由于碳纖維材料的特性，它很有可能代替鋼鐵成為較廣泛的材料。由于目前存在的一些問題，對于碳纖維材料在工程中的應(yīng)用研究也應(yīng)該繼續(xù)深入。