1前言

在工程材料中，纖維增強材料是一種新型的材料，它有很多特性，像耐腐蝕、耐紫外線、輕質、高強度和非磁性等都是它的特點，由于它們在物理學性能方面有大的提升，從而碳纖維（CFRP）加固材料成為一種性能優(yōu)良的復合材料。CFRP剛開始只用于航天、軍事和船舶工程領域，隨后范圍越來越大，現(xiàn)今已經(jīng)應用在土木工程領域。80年代末期到90年代初這段時間里，在發(fā)達國家像歐美和日本等國家加固修復混凝土結構的技術逐漸興起，目前土木工程領域研究的主要話題就是這項技術。

碳纖維布在我國的研制時間較早，它經(jīng)過40年的研制過程。在這個過程中，因為外國不允許碳纖維生產技術的運行，并且對它進行嚴格封鎖這一舉動嚴重的限制了我們國家碳纖維工業(yè)的進一步發(fā)展。最后碳纖維的工業(yè)能夠取得重大突破這完全屬于我國科技工作者的功能，這是他們的自強不息、自力更生的結果。

2 CFRP增強材料的特點及力學性能

碳纖維增強塑料是一種復合型的材料，另外它也是碳纖維目前最主要的應用領域。碳纖維是指含碳比較高的新型纖維材料，一般情況下我們都是利用含有碳物質的有機纖維來做制作原料，像腈綸絲、瀝青及粘膠纖維都可以作為我們取料的東西，將它們與塑料樹脂相結合，一起存放在惰性氣體中，碳化以后便會形成新纖維材料。這種材料是新材料之王，也有“黑色黃金”的美稱，因為它有高的強度、小的密度、耐腐蝕、導電性強等特點，同時它也是電學、熱學以及力學中最好的新型材料。

在對土木工程結構進行補強時，可以利用碳纖維物理力學這一個優(yōu)越的性能，多多使用碳纖維片材，由日本生產的碳纖維片在我們國家很常用。它的種類非常多，主要包括有單向片、單向預浸片、單向織布、雙向織布這四種。我們知道預浸料碳纖維（CF）被稱為是CFRP增強材料的一種，它必須達到強抗拉、彈性模量、延伸率等規(guī)定的性能，要想使得它能夠長期使用就無比保證它具有高的密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性。

3 CFRP增強材料的應用現(xiàn)狀

3.1國外

在發(fā)達國家CFRP的使用較為廣泛，如美國、日本，其主要是利用CFRP對混凝土結構進行再次固定可修補。80年代末及90年代初，它已經(jīng)得到了大量的研究，大學、科研機構、材料生產廠家等都愿意投入資本進行CFRP的進一步研究，CFRP之所以能得到如此多的好評，這完全取決于它優(yōu)良的特性，非常優(yōu)異的力學性能、較為簡便的工藝作品、好的抗腐蝕性和使用時間長等都是大眾的所喜愛的。CFRP能夠在日本、韓國、美國及歐洲這些國家和地區(qū)有迅速發(fā)展主要是日本阪神地震引起的，正是由于這種原因，所以我們便可知道CFRP可以快速的修復并固定混凝土，在建筑業(yè)這個領域，新型材料不斷興起，碳纖維已經(jīng)在外國的一些發(fā)達國家里變得非常常見。

CFRP的應用形式主要是以下幾種：第一種是把比較短的碳纖維夾雜到混凝土里從而形成一種新型的材料，可以將其應用在一些新建結構中；第二種是將絲狀的碳纖維做成棒狀，可以在新建結構中替換新混凝土里面的鋼筋，在海洋工程結構與一些需要電磁波穿過的工程結構里比較長用；第三種是將碳纖維經(jīng)過加工而變成一束一束的形狀或者像繩子那樣的形狀，主要可以在需要進行拉索的一些較為大型的土木工程；第四種可以在新建結構中使用，使用時主要是將它與混凝土結合從而制成有用的混凝土板或者是大跨梁等，這樣的混凝土板有高的強度，并且質量非常輕便；若將它放在有關公路的一些工程，便能提高公路的質量；通常我們也會使用碳纖維做織物，然后便可進行修補與二次固定。

3.2國內

由于我們國家比較落后，因此CFRP加固修補混凝土結構這項技術在我國應用比較遲，但是之后又進行了研究，現(xiàn)在已經(jīng)呈現(xiàn)出上升局勢。之前只有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術研究中心這一個單位愿意對CFRP加固修補混凝土結構技術進行研究，隨著之后的發(fā)展，慢慢才在一些有名的大學嘗試進行研究，主要參與的學校有清華大學、同濟大學、天津大學、東南大學、大連理工大學等，并且它們在板、梁、柱等的模型實驗、加固施工工藝及加固性能評價這三大方面取得了非常大的成果，在民用建筑、橋梁和隧道還有公路工程已經(jīng)開始使用，并且發(fā)現(xiàn)運行的非常好。纖維增強材料加固混凝土結構規(guī)范這項研究慢慢有單位開始研究了，這是值得開心的事情，這個課題現(xiàn)已成為建設部研究的重點，但是它還在起步階段，需要經(jīng)歷很長的路。

4 CFRP增強材料在室內裝修改造中的應用實例

CFRP增強材料有環(huán)保、耐磨的特點，現(xiàn)今被應用在房間裝修或改造的也屢見不鮮。當房主不喜歡事先準備好的房子的構造時，便可根據(jù)自己的想法設計房子，但是若是拆掉某一個承重墻這是非常危險的，這時只有我們的碳纖維材料能夠解決這項難題。

房間裝修時，碳材料的使用地點有以下幾個：第一個是可以做非承重墻的簾墻板，它是種不易變老并且機械性強的質量較輕的板，通常是在高樓大廈或者海邊建筑物中使用。第二個是作為房頂防水的涂層，通常會將它涂在房頂?shù)谋砻?，這樣會防止房頂風化和有效地減少房子露水的現(xiàn)象的發(fā)生，同時我們的房子也不失美觀。第三個是電磁屏蔽板和導電板，一般利用碳纖維較高的導電性能快速的消除一些靜電，主要包括來自大氣的放電和雷擊的靜電。第四個是可以用在防止墻外表被腐蝕，可以增強地板的使用時間等。第五個是在開門洞的應用，利用碳纖維布未進一步的固定。下面是碳纖維關于房間內部裝修改造的一個例子。

4.1工程概況

四平市站前住宅樓，建造于90年代初，底部框架剪力墻結構，底部2層框架，上部4層住宅。原設計1―2層為餐廳（活荷載為2.5KN/m），廚房（活荷載為4.0KN/m）設在一層?，F(xiàn)計劃重新裝修開設肯德基連鎖店，將廚房移到2層，原1層廚房位置設售餐臺。由于功能改變導致荷載增大，原2層局部梁將不能滿足設計要求，需要加固。經(jīng)過方案論證和經(jīng)濟技術可行性比較，決定采用碳纖維復合材料進行加固。

4.2 加固設計

4.2.1基本假定

碳纖維材料加固后混凝土梁的極限承載力計算采用如下基本假定：受拉區(qū)混凝土的作用忽略不計；梁受彎后，混凝土、鋼筋及碳纖維應變符合平截面假定；碳纖維材料采用線彈性應力一應變關系：σcf=E cfxεcf且εcf<0.01。

4.2.2加固設計

根據(jù)《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》（CECSl46：2003）的規(guī)定，采用以概率理論為基礎的極限設計法進行計算?？紤]到作用在加固結構上的活荷載基本卸除，故不考慮二次受力的影響。取其中一軸梁跨中為例，按原設計計算最大彎矩設計值為463.6kNm，加固設計采取在梁底粘貼300mm寬碳纖維布3層，按規(guī)程公式計算得出加固后最大彎矩設計值為524kN m，比原來提高了13%。

4.2.3構造做法及施工工藝

本次工程主要使用的材料為德國進口的碳纖維布（C200），粘貼用樹脂采用國產JGN型建筑結構膠。為了加強梁底碳纖維布的錨固及增加梁的抗剪能力，在梁端每側粘貼160mm寬U型箍1道，在主次梁相交處每側粘貼160mm寬U型箍1道。U型粘貼的粘貼高度宜取構件截面高度。對于U型粘貼形式，宜在上端粘貼縱向碳纖維片材壓條。考慮到碳纖維布多層粘貼時受施工現(xiàn)場影響的因素較大，建議受彎構件粘貼碳纖維布的層數(shù)不應超過3層。

加固施工的一般工藝流程為卸荷3底處理一涂底膠一找平一粘貼―保護。考慮本工程特殊施工環(huán)境因素，加固中應進行卸荷，先將板面粉刷層及板面雜物清除，鑿開保護層直至結構層基面，方可進行下一步處理。

4.3施工效果

本工程從設計到竣工投入使用只有不到兩個月的時間，采用碳纖維加固的方式施工，從準備到竣工只用了10天，沒有出現(xiàn)任何質量問題，施工效果良好，得到了設計單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的好評。

5 CFRP增強材料在室內裝修改造中的應用實例二

某建筑主樓為4層鋼筋混凝土框架結構（辦公室部分為5層磚結構），建筑面積2602 ㎡，底層為禮堂，二層以上為服裝廠廠房，附樓為2層磚混結構（屋頂上面搭建有簡易房），建筑面積725㎡。需要對這二幢房屋結構進行改建裝修，同樣委托某建設工程抗震鑒定委員會對這二幢房屋進行全面的檢測，并做出技術鑒定和加固方案。

主樓結構是一幢四層局部五層的建筑，附樓結構為一幢三層建筑。這里以主樓為例，闡述鑒定及加固方案。主樓建于1981年，底層及基礎采用100號機制標準磚，50號混合砂漿砌筑，樓層采用100號機制八五磚，25號混合砂漿砌筑。辦公室部分為磚結構，橫墻承重，承重墻體厚370mm，內隔墻厚240mm。原廠房部分上部結構為體型規(guī)則的鋼筋混凝土框架多層結構，現(xiàn)澆梁、柱均采用標號為200號的混凝土，廠房與辦公室相接的部位未設置鋼筋混凝土柱，廠房的樓屋面縱向連梁及多孔板均直接擱置在辦公室橫墻圈梁上。經(jīng)過對主樓的結構、結構材料強度、相對不均勻沉降趨勢和傾斜情況、結構抗震驗算等多方檢測，并根據(jù)建筑方案圖，提出了主樓底層大禮堂設置夾層后采取的加固方案。

5.1框架柱加固

對底層夾層以下軸壓比超限的鋼筋混凝土柱采用包裹數(shù)層碳纖維布或加大柱截面的方法進行加固。對底層夾層以上和二層部分軸壓比超限的鋼筋混凝土柱采用粘貼碳纖維片材的方法進行加固，先在柱表面粘貼縱向碳纖維布一層，再根據(jù)柱軸壓比超限情況在外面包裹數(shù)層環(huán)向碳纖維布。

5.2屋面梁加固

屋面梁采用在梁底粘貼縱向碳纖維布，在梁端粘貼U形碳纖維布的方法進行加固。

5.3刷層修復

墻體外立面及預制空心板底粉刷層剝落處，必須將原有粉刷層鏟除后重新粉刷，雨棚底部鋼筋暴露處重新以水泥砂漿粉刷修復。

5.4室外樓梯修復

室外鋼樓梯必須經(jīng)過仔細檢查，有嚴重銹蝕破壞處予以拆除并換新的構件，修復后涂刷防銹漆使之與空氣水分隔離。

在得出鑒定結果及加固方案后，委托加固公司對其主樓結構按設置夾層的設計方案及處理方案進行碳纖維加固處理后，其結構的抗震性能符合要求，并已投入使用。

6技術經(jīng)濟效益

碳纖維片的重量輕、強度高，隨形性好，能適應各種復雜結構外形的修復補強，對結構重量的影響甚微；碳纖維修復補強工藝施工簡便迅速，無需任何夾具、模板和支撐，雖然碳纖維本身的價格高于其他材料，但施工費用大大降低。它免除了鋼板補強、混凝土補強等傳統(tǒng)方法所需的植筋錨固、裝拆夾具、立模、支撐、灌注混凝土、養(yǎng)護、拆模等繁雜的工序和輔助設施，而且占用空間小，即使在高空作業(yè)，也只需設置簡易工作平臺即可。因此，用碳纖維片修復補強混凝土結構的綜合造價將低于傳統(tǒng)的補強方法，經(jīng)濟效益視具體工程情況而定，越是復雜結構其效益將愈明顯。

7社會效益

由于碳纖維片修復補強的施工簡便迅速、施工周期短、占用空間小，使施工對周圍的影響降低到最低限度。對受意外災害，特別是地震災害引發(fā)的房屋等混凝土結構物的震損，用碳纖維片快速修復，使城鎮(zhèn)人民的生活盡快恢復正常，則其社會效益和環(huán)境效益都將是巨大的。

8結語

粘貼碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術，已經(jīng)得到比較廣泛的應用，并已產生較大的經(jīng)濟效益，與其它傳統(tǒng)加固技術相比，粘接碳纖維加固混凝土技術有施工方便、工效高，而且其輕薄，粘貼后幾乎不增加重量和厚度；具有極佳的耐腐蝕性能及耐溫性能，且適用面廣，無論是結構類型、結構形狀有什么千差萬別，它都能順利地解決加固問題；施工質量能保證，即使被加固結構的表面不是非常平整，粘接碳纖維加固也可以保證近100%的粘貼率。以上這些優(yōu)勢使其加固達到高強高效的目的，對于抗震加固等尤其具有重要意義，粘接碳纖維加固混凝土結構的優(yōu)勢非常明顯。我國也已經(jīng)制定了相關的技術標準及規(guī)程（即《CECSl46-2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》），為這門技術的應用和健康發(fā)展奠定了基礎。粘貼碳纖維復合材料新技術是加固鋼筋砼結構行之有效的方法，在室內裝修結構改造中發(fā)揮了巨大的作用，值得推廣應用。

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