2024-08-05
在现代建筑工程中，碳纤维布因其卓越的力学性能和施工便捷性逐渐成为结构加固的热门选择。其外观轻薄，厚度仅有0.1毫米，可能会让人产生疑问：这么薄的材料真的能用于加固建筑结构吗？本文将详细解析碳纤维布的性能特点和加固原理，以专业的角度讨论其在结构加固中的实际效用。
加固用的碳纤维材料
碳纤维按其主原料分为三类：聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青(PITCH)基碳纤维、粘胶(RAYON)基碳纤维。从结构加固性能要求来考量，只有PAN基碳纤维最符合承重结构的安全性和耐久性要求；粘胶基碳纤维的性能和质量差，不能用于承重结构的加固；沥青基碳纤维只有中、高模量的长丝，可用于需要高刚性材料的加固场合，但在通常的建筑结构加固中很少遇到这类用途，况且在国内尚无实际使用经验，因此，用于结构加固的碳纤维材料，必须选用聚丙烯腈基(PAN基)碳纤维。
当采用碳纤维布加固时，对重要结构，必须采用12k或12k以下小丝束编织的碳纤维布，主要是因为小丝束的抗拉强度十分稳定，离散性很小，其变异系数均在5%以下，且胶液容易浸润、渗透，故在生产和使用过程中，均能对其性能和质量进行有效地控制；而大丝束的变异系数高达15%以上，在试验和试用中所表现出的可靠性较差，故不能作为结构加固材料使用。
碳纤维布的材料特性
结构加固用的碳纤维布是由聚丙烯腈(PAN)基碳纤维丝制成的织物，其抗拉强度约为钢材的10倍，但密度却只有钢的1/4。这种材料的主要特性有：
1、强度高：
碳纤维布的抗拉强度能够达到3400MPa以上，远高于钢筋和混凝土等建筑材料，同时弹性模量是钢材的2倍以上，弹性变形能力强。
纤维材料的抗拉强度高是因为纤维具有很小的直径，其内部缺陷要比块状形式的材料少得多。比如块状玻璃的抗拉强度为40~100MPa，而玻璃纤维的抗拉强度标准值可达2000MPa以上，是块状玻璃的数十倍。
2、质量轻：
用于结构加固的碳纤维布有200g/㎡和300g/㎡，对应的厚度为0.111mm和0.167mm，能够在不影响加固后使用空间和构件自重的前提下，显著增加结构承载能力和抗震性能。
3、耐腐蚀：
建筑工程用的碳纤维布不仅能经得起水泥碱性的腐蚀，而且非常适用于经常受盐害侵蚀等腐蚀性环境，其耐久性能也好，有很好的防水效果，能抑制混凝土的劣化和钢筋的锈蚀。使用碳纤维布加固的混凝土构件具有更长的使用寿命。
4、抗疲劳：
在碳纤维方向加载时，即使在很高的应力水平上，碳纤维布对拉伸疲劳损伤仍不敏感。与普通钢筋混凝土相比，碳纤维布加固混凝土的抗疲劳性能有了很大的提高。实验研究发现，碳纤维布加固混凝土经过一定次数的疲劳循环荷载，再进行静载强度、挠度试验，与未经历疲劳循环荷载的对比试件相比，强度和延性指标并没有出现降低。而普通的钢筋混凝土试件经历同样的疲劳循环荷载后，其静载强度及延性指标会有不同程度的降低。这主要是由于碳纤维材料本身抗疲劳性能优异，因此，对承受反复荷载的结构进行加固时，如考虑使用碳纤维材料，则会有很大的优势。
5、易施工：
碳纤维布加固施工便捷，大部分工序为人工操作，无须特殊的设备，技术难度低，没有焊接工序，也没有噪声，施工时需要的场地空间小，可对结构的各种部位、各种形状和各种环境下的构件进行加固补强。碳纤维布加固还可用于某些用传统加固方法几乎无法施工的结构部位，施工质量也易于把控，工作量小，施工工期大大缩短。
碳纤维布抗剪性能较差，因此可用剪刀轻易裁剪出需要的尺寸，但施工过程中应避免折叠堆放，防止碳纤维折损。
碳纤维布的加固原理
通过采用改性环氧树脂浸渍胶（别名"碳纤维胶"），将碳纤维布粘贴于混凝土构件表面，使之形成具有整体性的复合截面，与结构共同受力，充分发挥碳纤维布的超高抗拉强度，以提高构件承载能力和延性，减少构件的变形，并抑混凝土制裂缝的发展。该方法主要适用于混凝土受弯构件，如框架梁板等构件的加固，也经常用于混凝土压弯构件，如框架柱的延性加固。
选用与碳纤维布适配的碳纤维胶是确保加固可靠性的关键，如果碳纤维胶与碳纤维布的浸渍质量差、粘结强度低，可能会发生剥离破坏，危及结构安全。加固所用的碳纤维胶应选择有抽检类别安全性检测报告的产品，且一定要通过耐湿热老化性能检测。
耐湿热老化性能是保证碳纤维胶长期使用寿命的关键，而且现行国家标准GB 50550中的湿热老化检测方法，检出劣质结构胶的能力非常强。近几年由于恶性价格竞争激烈，不少无良厂商纷纷偷换了碳纤维胶中抗老化性能较好的固化剂成分，改用诸如T31之类的固化剂，尽管这类固化剂短期强度很高，但抗老化和抗冲击剥离能力极差，很容易在耐湿热老化和抗冲击剥离试验中被检出。
碳纤维材料的加固应用
正是由于碳纤维材料的这些优点，碳纤维加固在世界范围内被广泛地应用。80年代初，碳纤维布大量地应用于有特殊性能要求或是受严重化学侵蚀的结构。1981年，瑞典Meier最早采用粘贴碳纤维复合材料加固了Ebach桥，此后十年间，粘贴碳纤维织物加固混凝土结构的技术在日、美等国得到突飞猛进的发展。在日本，碳纤维加固被广泛用于公路桥梁、铁路桥梁、隧道、码头、房屋建筑等结构中。特别是阪神大地震后用碳纤维布加固震后损坏的结构物，再次经历地震时均未出现严重破坏。在英国，碳纤维材料被应用于海上石油平台，抵抗各种波的冲击。在意大利，碳纤维布除了用于工业厂房、展览大厅、公路桥梁的加固外，还应用于历史建筑遗产的修复和加固。
我国自1975年11月全国第一次碳纤维复合材料会议之后，一直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。经过二十多年的发展，我国碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成就，工程运用已破千项。随着碳纤维布和树脂等材料的国产化以及加固技术的成熟，碳纤维布加固将会被更为广泛地应用。
结论
尽管碳纤维布外观轻薄，但碳纤维布加固技术已成功应用于海内外多种建筑结构的加固与修复工程中。通过合理的设计、正确的工艺和高品质的材料，碳纤维布能够显著提高建筑结构的安全性和耐用性。因此，对于承载力不足或老化受损的结构，碳纤维布加固无疑是一个优秀的选择。
