在現代建筑工程中，碳纖維布因其卓越的力學性能和施工便捷性逐漸成為結構加固的熱門選擇。其外觀輕薄，厚度僅有0.1毫米，可能會讓人產生疑問：這么薄的材料真的能用于加固建筑結構嗎？本文將詳細解析碳纖維布的性能特點和加固原理，以專業的角度討論其在結構加固中的實際效用。

 

 

加固用的碳纖維材料

 

碳纖維按其主原料分為三類：聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青(PITCH)基碳纖維、粘膠(RAYON)基碳纖維。從結構加固性能要求來考量，只有PAN基碳纖維最符合承重結構的安全性和耐久性要求；粘膠基碳纖維的性能和質量差，不能用于承重結構的加固；瀝青基碳纖維只有中、高模量的長絲，可用于需要高剛性材料的加固場合，但在通常的建筑結構加固中很少遇到這類用途，況且在國內尚無實際使用經驗，因此，用于結構加固的碳纖維材料，必須選用聚丙烯腈基(PAN基)碳纖維。

 

當采用碳纖維布加固時，對重要結構，必須采用12k或12k以下小絲束編織的碳纖維布，主要是因為小絲束的抗拉強度十分穩定，離散性很小，其變異系數均在5%以下，且膠液容易浸潤、滲透，故在生產和使用過程中，均能對其性能和質量進行有效地控制；而大絲束的變異系數高達15%以上，在試驗和試用中所表現出的可靠性較差，故不能作為結構加固材料使用。

 

碳纖維布的材料特性

 

結構加固用的碳纖維布是由聚丙烯腈(PAN)基碳纖維絲制成的織物，其抗拉強度約為鋼材的10倍，但密度卻只有鋼的1/4。這種材料的主要特性有：

 

1、強度高：

碳纖維布的抗拉強度能夠達到3400MPa以上，遠高于鋼筋和混凝土等建筑材料，同時彈性模量是鋼材的2倍以上，彈性變形能力強。

纖維材料的抗拉強度高是因為纖維具有很小的直徑，其內部缺陷要比塊狀形式的材料少得多。比如塊狀玻璃的抗拉強度為40~100MPa，而玻璃纖維的抗拉強度標準值可達2000MPa以上，是塊狀玻璃的數十倍。

 

2、質量輕：

用于結構加固的碳纖維布有200g/㎡和300g/㎡，對應的厚度為0.111mm和0.167mm，能夠在不影響加固后使用空間和構件自重的前提下，顯著增加結構承載能力和抗震性能。

 

3、耐腐蝕：

建筑工程用的碳纖維布不僅能經得起水泥堿性的腐蝕，而且非常適用于經常受鹽害侵蝕等腐蝕性環境，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鋼筋的銹蝕。使用碳纖維布加固的混凝土構件具有更長的使用壽命。

 

4、抗疲勞：

在碳纖維方向加載時，即使在很高的應力水平上，碳纖維布對拉伸疲勞損傷仍不敏感。與普通鋼筋混凝土相比，碳纖維布加固混凝土的抗疲勞性能有了很大的提高。實驗研究發現，碳纖維布加固混凝土經過一定次數的疲勞循環荷載，再進行靜載強度、撓度試驗，與未經歷疲勞循環荷載的對比試件相比，強度和延性指標并沒有出現降低。而普通的鋼筋混凝土試件經歷同樣的疲勞循環荷載后，其靜載強度及延性指標會有不同程度的降低。這主要是由于碳纖維材料本身抗疲勞性能優異，因此，對承受反復荷載的結構進行加固時，如考慮使用碳纖維材料，則會有很大的優勢。

 

5、易施工：

碳纖維布加固施工便捷，大部分工序為人工操作，無須特殊的設備，技術難度低，沒有焊接工序，也沒有噪聲，施工時需要的場地空間小，可對結構的各種部位、各種形狀和各種環境下的構件進行加固補強。碳纖維布加固還可用于某些用傳統加固方法幾乎無法施工的結構部位，施工質量也易于把控，工作量小，施工工期大大縮短。

碳纖維布抗剪性能較差，因此可用剪刀輕易裁剪出需要的尺寸，但施工過程中應避免折疊堆放，防止碳纖維折損。

 

碳纖維布的加固原理

 

通過采用改性環氧樹脂浸漬膠（別名"碳纖維膠"），將碳纖維布粘貼于混凝土構件表面，使之形成具有整體性的復合截面，與結構共同受力，充分發揮碳纖維布的超高抗拉強度，以提高構件承載能力和延性，減少構件的變形，并抑混凝土制裂縫的發展。該方法主要適用于混凝土受彎構件，如框架梁板等構件的加固，也經常用于混凝土壓彎構件，如框架柱的延性加固。

 

選用與碳纖維布適配的碳纖維膠是確保加固可靠性的關鍵，如果碳纖維膠與碳纖維布的浸漬質量差、粘結強度低，可能會發生剝離破壞，危及結構安全。加固所用的碳纖維膠應選擇有抽檢類別安全性檢測報告的產品，且一定要通過耐濕熱老化性能檢測。

 

耐濕熱老化性能是保證碳纖維膠長期使用壽命的關鍵，而且現行國家標準GB 50550中的濕熱老化檢測方法，檢出劣質結構膠的能力非常強。近幾年由于惡性價格競爭激烈，不少無良廠商紛紛偷換了碳纖維膠中抗老化性能較好的固化劑成分，改用諸如T31之類的固化劑，盡管這類固化劑短期強度很高，但抗老化和抗沖擊剝離能力極差，很容易在耐濕熱老化和抗沖擊剝離試驗中被檢出。

 

碳纖維材料的加固應用

 

正是由于碳纖維材料的這些優點，碳纖維加固在世界范圍內被廣泛地應用。80年代初，碳纖維布大量地應用于有特殊性能要求或是受嚴重化學侵蝕的結構。1981年，瑞典Meier最早采用粘貼碳纖維復合材料加固了Ebach橋，此后十年間，粘貼碳纖維織物加固混凝土結構的技術在日、美等國得到突飛猛進的發展。在日本，碳纖維加固被廣泛用于公路橋梁、鐵路橋梁、隧道、碼頭、房屋建筑等結構中。特別是阪神大地震后用碳纖維布加固震后損壞的結構物，再次經歷地震時均未出現嚴重破壞。在英國，碳纖維材料被應用于海上石油平臺，抵抗各種波的沖擊。在意大利，碳纖維布除了用于工業廠房、展覽大廳、公路橋梁的加固外，還應用于歷史建筑遺產的修復和加固。

 

我國自1975年11月全國第一次碳纖維復合材料會議之后，一直將碳纖維及其復合材料納入國家科技攻關項目。經過二十多年的發展，我國碳纖維從無到有，從研制到生產取得了一定的成就，工程運用已破千項。隨著碳纖維布和樹脂等材料的國產化以及加固技術的成熟，碳纖維布加固將會被更為廣泛地應用。

 

結論

盡管碳纖維布外觀輕薄，但碳纖維布加固技術已成功應用于海內外多種建筑結構的加固與修復工程中。通過合理的設計、正確的工藝和高品質的材料，碳纖維布能夠顯著提高建筑結構的安全性和耐用性。因此，對于承載力不足或老化受損的結構，碳纖維布加固無疑是一個優秀的選擇。