碳纖維加固技術 

　碳纖維材料加固修復混凝土結構技術是近年來發展起來的一項新型結構加固技術，是指在構件表面粘貼碳纖維材料，使碳纖維與混凝土牢固地粘結在一起并共同工作，達到加固結構，提高結構承載力和抗震性能，修補構件缺陷的目的。被廣泛用于橋梁加固。 
　　1 碳纖維材料的性能優勢 
　　碳纖維材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP）加固混凝土結構技術是一種新型、高效的結構加固技術。工程中采用的碳纖維加固混凝土結構技術是利用樹脂膠結材料，將碳纖維材料粘貼于混凝土結構表面，以達到結構加固補強及改善結構受力性能的目的。與傳統的加固方法相比，碳纖維加固技術具有以下性能優勢。 
　　（1）高強度、高彈性模量。碳纖維的強度高，極限抗拉強度約為鋼材的10倍，彈性模量和鋼材相近。因此，在加固修補混凝土結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高混凝土結構及構件的承載力和延性，改善其受力性能，達到加固修補的目的。 
　　（2）抗腐蝕能力強、耐久性好。碳纖維材料化學性質穩定，不與酸、堿、鹽等化學物質發生反應，因而碳纖維加固后的鋼筋混凝土結構具有良好的抗腐蝕性和耐久性， 解決了其他加固方法所遇到的化學腐蝕問題； 同時也免去了粘鋼加固所需的定期防銹維護，節省維護費用。 
　　（3）熱膨脹系數小。碳纖維材料的熱膨脹系數非常小，其在纖維方向的熱膨脹系數幾乎等于0。這一特性是目前其他任何材料無可比擬的， 垂直于纖維方向的熱膨脹系數雖然比較大， 但各向同性制品與其他材料相比又最小。 
　　（4）施工簡便，工作效率高。碳纖維布加固不需要大型施工機械和重型設備，施工占用場地少，無濕作業，碳纖維布柔性好，可以根據設計尺寸將其任意裁剪，操作簡單，施工速度快。據有關資料統計，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼板加固工效的4～8倍。 
　　（5）施工質量易于保證。碳纖維布是柔性材料，即使被加固構件的表面不是非常平整，經過修補后，有效粘貼率可達到95％以上。 
　　（6）對結構影響小。碳纖維材料重量輕，厚度薄，經加固修補后的構件， 基本上不增加原結構的自重及尺寸，不影響結構的使用空間。 
　　2 試驗過程 
　　試驗尺寸及配筋見圖1、圖2.混凝土的設計標號為C25, 受拉主筋為Ф10 的II級螺紋筋, 抗拉強度為340 MPa, 箍筋為I 級光圓鋼筋, 設計強度為240 MPa。 加固所使用的碳纖維布性能指標如表1。 
　　
　　圖2 試驗T 梁配筋圖 
　　表1 碳纖維布的性能指標 
　　厚度/mm 抗拉強度/MPa 彈性模量/MPa 密度/（） 
　　0.13 350 2.345E5 1.88 
　　 
　　2.1 加載方法 
　　試驗對梁采用兩點對稱加載的方式, 在兩個對稱集中荷載之間形成純彎段，這樣有利于觀察分析受彎構件在加載各階段的應變、變形及裂縫開展等情況。試驗采用逐級加載,開裂荷載由梁底應變片測值和刻度放大鏡觀測裂縫相結合的方法確定。 
　　2.2 測點布置 
　　試驗測試的主要內容是控制截面的撓度、應變和梁裂縫的觀測. 撓度的測點選在1/4 跨、1/2 跨、3/4 跨,以便測出撓曲變形的特征曲線, 試驗所用儀器為機電百分表。 混凝土的拉壓應變、鋼筋應變和纖維應變通過應變片測量, 應變片布置見圖3。 
　　 
　　2.3 測量過程 
　　在每級加載完成后, 由千斤頂上的傳感器測出當前的荷載值, 由靜態數據采集儀自動掃描獲得各測試截面撓度值, 混凝土應變值以及鋼筋、纖維布的拉應變值。 
　　當梁底開裂后, 用刻度放大鏡對裂縫的開展做觀察, 記錄裂縫條數、開裂寬度、高度、開裂的形狀等.對各片梁進行記錄初始荷載P0, 記錄撓度、應變值。待各測值穩定后, 梁底已明顯有裂縫開展,且趨于穩定, 然后按操作粘貼碳纖維布養護7d 后, 繼續加載直至破壞。 
　　2.4 試驗結果及分析 
　　( 1) 通過對各梁跨中截面上應變測點值的分析, 可以看出各級荷載作用下, 截面上應變較好的符合線性分布規律. 從圖4、圖5 可以看出, 當荷載逐步增加, T梁中和軸不斷上升。荷載接近極限荷載時, T梁下部受拉區混凝土開裂嚴重, 應變片被拉斷. 
　　( 2) 5片T梁的試驗結果可以看出，T5 的屈服荷載略小于T2, 這是因為在初始荷載的作用下, 梁底已經開裂, 混凝土和鋼筋已經有了初始應變, 同T2 梁相比, 碳纖維布的應變小于粘貼表面混凝土的應變, 這被稱為應變滯后現象。應變滯后使碳纖維布在加固后的加載前期未充分參與工作, 因此對屈服荷載提高程度減小了。但對于極限荷載的影響卻很小, 因為對碳纖維布加固后的鋼筋混凝土T梁, 很難發生受壓區混凝土破壞, 一般都是碳纖維被拉斷或與混凝土的剝離破壞, 而這種破壞與初始荷載的關系并不密切。 
　　
　　4．工程應用 
　　某橋梁位于市區，修建于80年代，橋全長152.50m，橋面凈寬--12+2×2.0m人行道。設計荷載汽車-15級、掛車-80。由于經濟發展，交通量增長迅速，以及汽車的撞擊，橋梁不同部位出現了裂縫，主梁撓度增大，橋臺支座處出現錯位。經過對橋梁的靜載和動載試驗，得出結論：該橋梁原有設計荷載汽車-15級、掛車-80已經不能滿足現有交通量產生的荷載。根據碳纖維布加固的優越性，決定采用粘貼碳纖維布進行加固。通過加固，使得設計荷載提高到汽車-超20級、掛車-120。有效的提高了橋梁的承載能力，抑制了裂縫的展開。對加固后的橋梁進行靜載試驗跨中撓度對比如下（圖3、圖4）。 
　　 
　　5．結論 
　　經理論和試驗研究得出以下結論： 
　　（1）碳纖維加固技術可以顯著提高混凝土梁的抗剪承載力。 
　　（2）碳纖維加固技術可以顯著提高混凝土梁的抗彎承載力。 
　　（3）通過粘結碳纖維加固混凝土結構的試驗分析和工程應用， 表明碳纖維加固方法是一種有效的混凝土結構加固技術，與其他傳統的加固方法相比較，由于碳纖維具有良好的力學性能，高強高效、材質薄、重量輕、施工簡便、耐腐蝕性好等優點，是加固混凝土結構的一種好方法，可以提高加固工程的經濟效益和社會效益，值得大力推廣，具有廣闊的應用前景。 

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