碳纤维复合材料对加固混凝土的几个重要问题解析

一、前言

　　混凝土是目前使用最广的一种建筑材料，由于其在各方面的优良性能， 自它诞生之日起就一直受到人们的关注。近两年， 国家采取扩大内需保增长政策， 全国各地都加大了基础设施建设力度， 每年混凝土用量数十亿立方米， 规模之大， 耗资之巨， 居世界之首。 随着现代材料科学的不断进步， 混凝土已逐渐向高强、 高性能、 多功能和智能化方向发展， 用它建造的混凝土结构也趋于大型化和复杂化。 然而混凝土材料的固有缺陷是脆性大，在使用过程和周围环境的影响下不可避免地会产生微开裂和局部损伤，而且混凝土的损伤通常是逐渐积累发展的， 从而会导致混凝土结构的最终破坏。 为了改善混凝土抗拉性能差、 延性差等缺点， 可以通过在原材料中掺加各种纤维的办法来配制纤维混凝土。目前， 在工程中应用最广的纤维混凝土主要有4种， 分别是钢纤维混凝(SFRC)、 玻璃纤维混凝土(GFRC)、 碳纤维混凝土(CFRC)以及合成纤维混凝土( SNFRC)。在原材料中掺加碳纤维即可。

　　为碳纤维混凝土， 又称为碳纤维增强混凝土， 它是一种智能型材料。本文论述了碳纤维的性能、碳纤维在混凝土中的作用以及碳纤维混凝土的应用研究。

二、碳纤维的性能

　    碳纤维是一种含碳量在 90％以上的高强度、 高模量、 耐高温纤维， 它重量轻 （密度约 1.8kg/m3）、 强度高、 尺寸稳定、 抗疲劳阻尼特性好、 耐高温、 耐酸碱腐蚀、 有导电性、 抗蠕变、 可传热、 热膨胀系数小，既可作为结构材料承担荷载，又可作为功能材料发挥作用。 它强度比钢的大、 密度比铝的小、 比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、 又能像铜那样导电， 具有许多宝贵的电学、 热学和力学性能的新型材料。碳纤维能显著提高混凝土的 （抗拉、压、弯） 强度， 韧性、 延性、 抗冲击疲劳性能和变形模量。

　    由于碳的单质在高温下不能熔化(在 3000℃以上升华)， 而且在各种溶剂中均不溶解， 所以，目前人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维， 只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)作原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中， 在一定压强下强热碳化而成。 现在市场上生产销售的碳纤维绝大部分是用聚丙烯腈纤维的固相碳化制得的。 碳纤维有极好的纤度， 纤度的表示方法之一是 9000m长的纤维的克数， 一般仅约为 19 g;碳纤维的拉力高达 300 kg/mm2， 同时还具有耐高温、 耐腐蚀、 导电、 传热、膨胀系数小等一系列的优异性能。目前几乎没有其他材料能像碳纤 维一样具有如此多的优异性能。

三、碳纤维在混凝土中的加固作用

　　1高抗拉强高弹性模量

　　碳纤维是一种柔性材料，可任意剪裁，设计自由度大，经粘贴后其抗拉强度超过普通钢板的10倍，弹性模量和钢材相近，而其重量约为3mm厚钢板的1/100。因此，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混凝土结构及构件的承载力和延性，改善其受力性能，达到加固修补的目的。

　　2施工方便，工作效率高

　　无需大型施工机具和辅助机械、模板，施工占用场地少，无湿作业，能适应各种结构外形的补强而不改变构件外形尺寸，操作简单，施工速度快。据有关资料统计，粘贴碳纤维的加固工效是粘贴钢板加固工效的4～8倍。

　　3耐腐蚀及耐久性能好

　    碳纤维材料化学性质稳定，不与酸、碱、盐等化学物质发生反应，且还可以防水，可长期经受核辐射和紫外线照射，在-52～82℃温度环境条件下使用，强度不降低；并易与外加防火涂层后有效地防火，可大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，如可免去了粘钢加固所需的定期防锈维护，节省维护费用，延长结构寿命。

　　4不增加结构自重

　    碳纤维材料重量轻（仅为200～300g/m2），厚度小，经加固修补后的构件，不会增加结构体积，基本上也不增加原结构的自重及尺寸。

　　5不影响结构外观

　　碳纤维片的厚度很薄粘贴固化后表面做高性能砂浆，不仅增加了混凝土保护层厚度，对防止混凝土盐害侵蚀有较大作用，同时，不影响结构的外观。

　　6能有效地封闭混凝土的裂缝

　　碳纤维片粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维片高强模量的特性还约束了混凝土结构裂缝的生成与扩展，改变了裂缝的形态，使宽而深的裂缝变成分散的细微裂缝，从而提高了混凝土的整体刚度。
 
　　7适用范围广

　　可用于不同结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等)、不同结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)、不同材料的构件如混凝土结构、木结构、钢结构等)加固，也可用于构件的不同部位(如梁、板、柱、节点、拱、壳、墩等)及不同薄弱因素的加固。除此之外，碳纤维材料还有其他的一些优势，如透电磁波、绝缘、隔热等。

四、碳纤维混凝土的应用研究

　　碳纤维智能混凝土在今后将得到更加广泛的应用，但就目前来讲， 碳纤维混凝土的广泛应用还受到很多限制。因此， 加强碳纤维混凝土的应用研究，对其应用过程中存在和出现的各种问题进行研究并找出合理解决方案， 将是碳纤维混凝土研究的一个重要方向， 主要有：（1） 改善搅拌工艺， 提高碳纤维在混凝土基体内的分散均匀性。 美国在 20世纪 70 年代就开始研究用于自动撕开缠裹成团的钢纤维，并以均匀而又可以调节的速度将纤维送进混凝土搅拌装置。国内也做过大量这方面的试验研究，探索如何提高碳纤维在混凝土中的分

　　散性， 并从原材料选择、 配合比设计、 拌合和浇注等方面着手提高纤维混凝土各项性能。（2） 改善碳纤维和基体材料的性能， 研究碳纤维与基体界面性能， 从而得到性能更好的纤维混凝土材料。（3） 高掺量碳纤维混凝土的研究， 在满足施工和易性和保证强度的前提下， 通过使用外加剂和掺和料以获得韧性明显提高的碳纤维混凝土材料。（4）充分利用碳纤维混凝土的智能特性， 开发更实用的智能混凝土。（5）完善碳纤维生产工艺， 降低碳纤维价格， 从而降低建设成本。
　　
五、结语

　　综上所述，工民建混凝土结构构件出现裂缝，是目前建筑工程施工中较为普遍的现象，而裂缝的存在直接影响了工民建筑的正常施工和使用，而将碳纤维布加固混凝土结构应用于工民建筑中，由于其具有施工简便、耐久性好、抗腐蚀、不增加结构自重、原结构的影响较小、能有效封闭混凝土裂缝等优点，可有效提高工民建混凝土结构的承载能力和抗疲劳性能，增强结构的抗震能力，综合加固效果显著。且随着碳纤维材料成本的降低及国内外研究的不断深入，该项技术在工民建混凝土结构加固领域中的应用会越来越广泛，具有广阔的发展前景。