摘要：目前，纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic，簡稱FRP)用于加固混凝土結構的技術已經日漸成熟。FRP材料主要有：碳纖維增強塑料(CFRP)、玻璃纖維增強塑料(GFRP)和芳綸纖維增強塑料(AFRP)。CFRP除了具有自重輕、強度高、還具有良好的耐腐蝕性能，因此在加固和修復混凝土結構工程領域有著廣泛的應用前景，然而CFRP加固混凝土結構還面臨著很多的技術性難題有待研究。由于作者近兩年接觸了較多房屋加固工程，如廣州市知用中學教學樓項目、廣州衛生學校學生宿舍樓項目，都采用到了CFRP加固混凝土結構的技術，然而施工員的技術水平。作者為了進步了解CFRP加固混凝土結構的技術，查閱了大量的資料，將作者對CFRP技術的思考和理解總結于下文。
關鍵詞：碳纖維增強復合材料(CFRP);(CFRP)力學性能;混凝土結構
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
中圖分類號：TU377 文獻標識碼：A 文章編號：
一、 CFRP纖維材料混凝土加固技術現狀
CFRP纖維材料通常加固鋼筋混凝土結構的方法是將它粘貼在混凝土的表面，通過樹脂將CFRP纖維材料與混凝土有效的粘結以實現它們之間傳遞受力的作用。受損的鋼筋固混凝土結構經過用CFRP修復后一般還可繼續使用多年時間。目前，我國關于CFRP加固混凝土結構的研究熱點主要是FRP加固鋼筋混凝土后的破壞模式及其計算方法。對于影響CFRP與混凝土粘貼界面之間力學性能的因素的研究則相對較少。
二、CFRP纖維材料混凝土加固技術的優點
建筑結構長期在自然環境和使用環境的雙重作用下的逐漸損壞是一個不可逆轉的客觀規律。目前工程上常用的混凝土結構加固補強的方法主要有以下幾種：體系法、體外預應力法、外包鋼法、 外部粘鋼法等。
但是，以上的這些方法無論在施工的難易程度還是被加固的對象都受到了極大限制。與傳統的加固修復方法相比，CFRP加固技術具有明顯的優越性：
(1)適用范圍廣闊：因為CFRP可以規模是生產并具有優越的力學性能，故其可以運用的建筑工程范圍較為廣泛，例如：建筑物、構筑物、橋梁、地鐵、隧道等。
(2)使用方便：運用CFRP加固修復時，其使用的工器具簡單并且容易攜帶，能夠快速、安全、有效的完成加固任務。
(3)本身自重小：通常的CFRP成平為布狀或者片材形狀，其質量輕并且強度高，對被加固修復的混凝土結構不具有任何的自重荷載和不占用結構的使用空間。
(4)施工質量好：用CFRP加固混凝土結構施工工藝非常簡單和易于操作，故其施工質量的控制也能達到較大的保證率。
(5)有良好的耐久性能：通過前人所作的實驗研究可以了解到CFRP加固混凝土結構在耐久性能方面具有很大的優勢，無論是酸雨侵蝕還是日光的作用等CFRP都可以有效的抵抗而幾乎不降低它的力學性能。
(6)使用成本低： 雖然CFRP的價格相對較高，但在施工的工藝還有工器具的選擇上，CFRP加固混凝土結構具有絕對的優勢，并且它的加固過程使用的人工和時間均較少，故綜合起來CFRP加固混凝土結構的成本也具有很大的優勢。
三、(CFRP)纖維材料的性能
碳纖維(CFRP)指纖維在1000℃以上碳化，含碳量超過85%以上的纖維，包括碳素纖維和石墨纖維，碳纖維材料是最常用的纖維增強復合材料之一。表1-1為廠家提供的碳纖維布的主要相關性能指標。可以看出，CFRP的各項力學性能較為優異。
表1-1 碳纖維布主要技術指標
|
產品型號 |
HITEX-C300 |
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單位面積質量 g/m2 |
300 |
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名義厚度 mm |
0.167 |
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抗拉強度標準值 MPa |
3500 |
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彈性模量 GPa |
240 |
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斷裂伸長率 ％ |
1.8 |
|
彎曲強度 MPa |
712 |
|
層間剪切強度 MPa |
48 |
仰貼條件下纖維復合材 MPa
與混凝土正拉黏結強度 |
2.6
混凝土內聚破壞 |
從表1-1中可以看出，與傳統的主要建筑材料鋼筋相比較，CFRP材料具明顯的優勢，主要有以下幾點：
1、CFRP材料輕質高強，其抗拉強度可達到普通碳素結構鋼的10倍以上，彈性模量略高于鋼筋，而密度僅為鋼材的1/4。能夠有效提高混凝土結構的承載力和延性，改善其受力性能，基本不增加原結構自重及原構件尺寸;
2、良好的抗腐蝕能力，其中CFRP耐久性能尤為突出，對酸、堿、鹽和有機溶劑等腐蝕介質的耐腐蝕性能和耐候性能優良，并具有極佳的抗疲勞性能;
3、施工便捷，沒有濕作業，不需大型施工機具，無需現場固定設施，施工占用場地少;
4、有良好的設計性，可以通過適當的纖維含量及成型方法，得到預期的材料特性和各種形狀的結構;
5、可檢測性，可以在CFRP里面埋入光纖等傳感器，其樹脂層能給傳感器提供優良的保護，可以對構件進行長期實時檢測，既可靠又方便。
四、影響CFRP拉伸性能的主要因素
1、纖維對片材拉伸性能的影響。在碳纖維增強樹脂基復合材料CFRP片材中，纖維承擔主要載荷，纖維承擔的載荷比例遠高于基體，因此纖維的性能直接影響復合材料力學性能的好壞，提高纖維的性能對改善復合材料的性能起著關鍵的作用。就碳纖維其力學性能而言，可分為通用級碳纖維(GP)和高性能碳纖維(HP);其中高性能碳纖維包括中強型(MT)、高強型(HT)、超高強型(UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)和超高模型(UHM)[5]。幾種碳纖維的性能見表1-2。總體看來，碳纖維的拉伸強度與其本身的拉伸模量成反比，即彈性模量越小其拉伸強度越大。在加固時碳纖維粘貼的層數也是影響其拉伸性能的因素之一，粘貼的層數并不與其強度成正比，當粘貼的層數達到一定時，碳纖維的拉伸強度的拉伸強度不會增加甚至會有降低的趨勢。這主要由以下幾個原因引起的：1)施工工藝的控制，碳纖維布粘貼的層數越多，粘貼的密實度和平整度就越來越難控制，從而影響了整體的拉伸性能。2)碳纖維布粘貼的層數越多，多層碳纖維布作為一個整體，它的彈性模量也大大增加，從而使其整體的拉伸性能降低。
2、樹脂對CFRP拉伸性能的影響。樹脂的性能和特性主要有以下幾個方面：1)固化方便，可以選用各種不同的固化劑，樹脂體系幾乎可以在0～180℃溫度范圍內固化。2)粘附力強，樹脂分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵的存在，使其對各種物質具有很高的粘附力。樹脂固化時的收縮性低，產生的內應力小，這也有助于提高粘附強度。3)收縮性低，樹脂和所用的固化劑的反應是通過直接加成反應或樹脂分子中環氧基的開環聚合反應來進行的，沒有水或其它揮發性副產物放出。它們和不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂相比，在固化過程中顯示出很低的收縮性(小于2%)。4)力學性能優良。固化后的環氧樹脂體系比其他粘結材料具有優良的力學性能。5)化學穩定性，通常，固化后的環氧樹脂體系具有優良的耐堿性、耐酸性和耐溶劑性。像固化環氧體系的其它性能一樣，化學穩定性也取決于所選用的樹脂和固化劑。適當地選用環氧樹脂和固化劑，可以使其具有特殊的化學穩定性能。
工程實際的大量資料表明，樹脂對CFRP片材拉伸性能的好壞至關重要。但是樹脂本身性能具有分散性，這是因為：1)所用的環氧樹脂的種類不同，每種環氧樹脂的分子量、分子量分布均有差別，最終形成固化物的交聯密度不同，從而影響樹脂性能;2)稀釋環氧樹脂的活性環氧稀釋劑的種類、加入量不同也會影響樹脂的性能;3)各品牌樹脂所用的固化劑種類不同(一般選用聚酰胺、改性脂環族多元胺或改性脂肪族多元胺)，不同分子結構的固化劑與環氧樹脂反應形成的樹脂固化物在拉伸強度等物理力學性能方面都有差別。正常情況下，樹脂具有良好的的可塑性能和力學性能，把它作為粘貼劑用于CFRP加固混凝土結構工程上能很好的發揮它的力學優越性。樹脂作為CFRP加固混凝土結構傳遞CFRP材料與和混凝土結構之間應力的介質，故樹脂的性能影響著整個加固結構的力學性能。樹脂的黏結能力和其它的力學性能指標，如抗拉伸強度、抗剪強度、彈性模量、可塑性能等對實際的加固工程有著重要的影響。對于所粘貼的碳纖維布能否一起共同工作，樹脂的彈性模量起著決定性的作用，樹脂的彈性模量越大則，碳纖維布的整體性能就越好，反之則越低。在用樹脂作為基體加固混凝土結構時，它的用量的多少也直接影響著加固結構的整體力學性能。圖1-1所示是強度與含膠量關系曲線，可以看出，隨著含膠量的逐漸升高，拉伸強度先變大，后又逐漸變小，在含膠量為33%-35%之間時達到最大值，這說明含膠量太高和太低都不利于強度的發揮，含膠量太高，碳纖維含量降低，強度降低;含膠量太低時，樹脂浸潤不好，可能引起局部缺膠，纖維間應力得不到很好的傳遞，從而影響碳纖維的強度發揮。
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