摘要：目前，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)用于加固混凝土结构的技术已经日渐成熟。FRP材料主要有：碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料(GFRP)和芳纶纤维增强塑料(AFRP)。CFRP除了具有自重轻、强度高、还具有良好的耐腐蚀性能，因此在加固和修复混凝土结构工程领域有着广泛的应用前景，然而CFRP加固混凝土结构还面临着很多的技术性难题有待研究。由于作者近两年接触了较多房屋加固工程，如广州市知用中学教学楼项目、广州卫生学校学生宿舍楼项目，都采用到了CFRP加固混凝土结构的技术，然而施工员的技术水平。作者为了进步了解CFRP加固混凝土结构的技术，查阅了大量的资料，将作者对CFRP技术的思考和理解总结于下文。
关键词：碳纤维增强复合材料(CFRP);(CFRP)力学性能;混凝土结构
Abstract: In the past two years, the author contact with the reinforcement of more housing, such as Guangzhou City to know the middle school project, the Guangzhou Health School student dormitory project, it all used to the technology of CFRP reinforced concrete structures, however, construction members of the technical level. Of CFRP reinforced concrete structures technology in order to progress to understand, access to large amounts of data are summarized in the following of thinking and understanding of CFRP.
Key words: carbon fiber reinforced composite materials (CFRP); (CFRP) mechanical properties; concrete structures
中图分类号：TU377 文献标识码：A 文章编号：
一、 CFRP纤维材料混凝土加固技术现状
CFRP纤维材料通常加固钢筋混凝土结构的方法是将它粘贴在混凝土的表面，通过树脂将CFRP纤维材料与混凝土有效的粘结以实现它们之间传递受力的作用。受损的钢筋固混凝土结构经过用CFRP修复后一般还可继续使用多年时间。目前，我国关于CFRP加固混凝土结构的研究热点主要是FRP加固钢筋混凝土后的破坏模式及其计算方法。对于影响CFRP与混凝土粘贴界面之间力学性能的因素的研究则相对较少。
二、CFRP纤维材料混凝土加固技术的优点
建筑结构长期在自然环境和使用环境的双重作用下的逐渐损坏是一个不可逆转的客观规律。目前工程上常用的混凝土结构加固补强的方法主要有以下几种：体系法、体外预应力法、外包钢法、 外部粘钢法等。
但是，以上的这些方法无论在施工的难易程度还是被加固的对象都受到了极大限制。与传统的加固修复方法相比，CFRP加固技术具有明显的优越性：
(1)适用范围广阔：因为CFRP可以规模是生产并具有优越的力学性能，故其可以运用的建筑工程范围较为广泛，例如：建筑物、构筑物、桥梁、地铁、隧道等。
(2)使用方便：运用CFRP加固修复时，其使用的工器具简单并且容易携带，能够快速、安全、有效的完成加固任务。
(3)本身自重小：通常的CFRP成平为布状或者片材形状，其质量轻并且强度高，对被加固修复的混凝土结构不具有任何的自重荷载和不占用结构的使用空间。
(4)施工质量好：用CFRP加固混凝土结构施工工艺非常简单和易于操作，故其施工质量的控制也能达到较大的保证率。
(5)有良好的耐久性能：通过前人所作的实验研究可以了解到CFRP加固混凝土结构在耐久性能方面具有很大的优势，无论是酸雨侵蚀还是日光的作用等CFRP都可以有效的抵抗而几乎不降低它的力学性能。
(6)使用成本低： 虽然CFRP的价格相对较高，但在施工的工艺还有工器具的选择上，CFRP加固混凝土结构具有绝对的优势，并且它的加固过程使用的人工和时间均较少，故综合起来CFRP加固混凝土结构的成本也具有很大的优势。
三、(CFRP)纤维材料的性能
碳纤维(CFRP)指纤维在1000℃以上碳化，含碳量超过85%以上的纤维，包括碳素纤维和石墨纤维，碳纤维材料是最常用的纤维增强复合材料之一。表1-1为厂家提供的碳纤维布的主要相关性能指标。可以看出，CFRP的各项力学性能较为优异。
表1-1 碳纤维布主要技术指标
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产品型号 |
HITEX-C300 |
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单位面积质量 g/m2 |
300 |
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名义厚度 mm |
0.167 |
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抗拉强度标准值 MPa |
3500 |
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弹性模量 GPa |
240 |
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断裂伸长率 ％ |
1.8 |
|
弯曲强度 MPa |
712 |
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层间剪切强度 MPa |
48 |
仰贴条件下纤维复合材 MPa
与混凝土正拉黏结强度 |
2.6
混凝土内聚破坏 |
从表1-1中可以看出，与传统的主要建筑材料钢筋相比较，CFRP材料具明显的优势，主要有以下几点：
1、CFRP材料轻质高强，其抗拉强度可达到普通碳素结构钢的10倍以上，弹性模量略高于钢筋，而密度仅为钢材的1/4。能够有效提高混凝土结构的承载力和延性，改善其受力性能，基本不增加原结构自重及原构件尺寸;
2、良好的抗腐蚀能力，其中CFRP耐久性能尤为突出，对酸、碱、盐和有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，并具有极佳的抗疲劳性能;
3、施工便捷，没有湿作业，不需大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少;
4、有良好的设计性，可以通过适当的纤维含量及成型方法，得到预期的材料特性和各种形状的结构;
5、可检测性，可以在CFRP里面埋入光纤等传感器，其树脂层能给传感器提供优良的保护，可以对构件进行长期实时检测，既可靠又方便。
四、影响CFRP拉伸性能的主要因素
1、纤维对片材拉伸性能的影响。在碳纤维增强树脂基复合材料CFRP片材中，纤维承担主要载荷，纤维承担的载荷比例远高于基体，因此纤维的性能直接影响复合材料力学性能的好坏，提高纤维的性能对改善复合材料的性能起着关键的作用。就碳纤维其力学性能而言，可分为通用级碳纤维(GP)和高性能碳纤维(HP);其中高性能碳纤维包括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型(UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)和超高模型(UHM)[5]。几种碳纤维的性能见表1-2。总体看来，碳纤维的拉伸强度与其本身的拉伸模量成反比，即弹性模量越小其拉伸强度越大。在加固时碳纤维粘贴的层数也是影响其拉伸性能的因素之一，粘贴的层数并不与其强度成正比，当粘贴的层数达到一定时，碳纤维的拉伸强度的拉伸强度不会增加甚至会有降低的趋势。这主要由以下几个原因引起的：1)施工工艺的控制，碳纤维布粘贴的层数越多，粘贴的密实度和平整度就越来越难控制，从而影响了整体的拉伸性能。2)碳纤维布粘贴的层数越多，多层碳纤维布作为一个整体，它的弹性模量也大大增加，从而使其整体的拉伸性能降低。
2、树脂对CFRP拉伸性能的影响。树脂的性能和特性主要有以下几个方面：1)固化方便，可以选用各种不同的固化剂，树脂体系几乎可以在0～180℃温度范围内固化。2)粘附力强，树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，使其对各种物质具有很高的粘附力。树脂固化时的收缩性低，产生的内应力小，这也有助于提高粘附强度。3)收缩性低，树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的，没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比，在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2%)。4)力学性能优良。固化后的环氧树脂体系比其他粘结材料具有优良的力学性能。5)化学稳定性，通常，固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样，化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂，可以使其具有特殊的化学稳定性能。
工程实际的大量资料表明，树脂对CFRP片材拉伸性能的好坏至关重要。但是树脂本身性能具有分散性，这是因为：1)所用的环氧树脂的种类不同，每种环氧树脂的分子量、分子量分布均有差别，最终形成固化物的交联密度不同，从而影响树脂性能;2)稀释环氧树脂的活性环氧稀释剂的种类、加入量不同也会影响树脂的性能;3)各品牌树脂所用的固化剂种类不同(一般选用聚酰胺、改性脂环族多元胺或改性脂肪族多元胺)，不同分子结构的固化剂与环氧树脂反应形成的树脂固化物在拉伸强度等物理力学性能方面都有差别。正常情况下，树脂具有良好的的可塑性能和力学性能，把它作为粘贴剂用于CFRP加固混凝土结构工程上能很好的发挥它的力学优越性。树脂作为CFRP加固混凝土结构传递CFRP材料与和混凝土结构之间应力的介质，故树脂的性能影响着整个加固结构的力学性能。树脂的黏结能力和其它的力学性能指标，如抗拉伸强度、抗剪强度、弹性模量、可塑性能等对实际的加固工程有着重要的影响。对于所粘贴的碳纤维布能否一起共同工作，树脂的弹性模量起着决定性的作用，树脂的弹性模量越大则，碳纤维布的整体性能就越好，反之则越低。在用树脂作为基体加固混凝土结构时，它的用量的多少也直接影响着加固结构的整体力学性能。图1-1所示是强度与含胶量关系曲线，可以看出，随着含胶量的逐渐升高，拉伸强度先变大，后又逐渐变小，在含胶量为33%-35%之间时达到最大值，这说明含胶量太高和太低都不利于强度的发挥，含胶量太高，碳纤维含量降低，强度降低;含胶量太低时，树脂浸润不好，可能引起局部缺胶，纤维间应力得不到很好的传递，从而影响碳纤维的强度发挥。
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第37卷第5期69
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CFRP加固混凝土结构的优点及施工技术要素
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