碳纖維材料在結(jié)構(gòu)加固中的運(yùn)用

　　碳纖維是一種由有機(jī)母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或?yàn)r青）采用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素制成的新型非金屬材料。具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞、抗蠕變、比耐熱鋼還耐高溫、比不銹鋼還耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能。另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。盡管碳纖維質(zhì)量輕，但它強(qiáng)度高，有很高的“比強(qiáng)度”（比強(qiáng)度＝材料的強(qiáng)度極限/材料的單位重），碳纖維還有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長的纖維的克數(shù)），一般僅約為19克；拉力高達(dá)300KG/MM2；目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多的優(yōu)異寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。

　　碳纖維材料有著如此神奇的性能，理所當(dāng)然地被人們廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

　　用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料所做的飛機(jī)輕巧，而且消耗動(dòng)力少，推力大，噪音??；用碳纖維增強(qiáng)塑料來制造衛(wèi)星和火箭等宇宙飛行器，機(jī)械強(qiáng)度高，質(zhì)量小，可節(jié)約大量的燃料；用碳纖維制電子計(jì)算機(jī)的磁盤，能提高計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存量和運(yùn)算速度；在體育器材應(yīng)用中主要用于制作高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機(jī)、人力飛機(jī)、帆船桅桿、摩托車及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。

　　碳纖維利用其特有的力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料；利用其振動(dòng)衰減性，應(yīng)用于音響器材；利用其耐疲勞性，應(yīng)用于直升飛機(jī)的葉片；利用其耐高溫性，應(yīng)用于飛機(jī)剎車片和絕熱材料；利用其尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用于宇宙機(jī)械、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品；利用其耐藥品性，應(yīng)用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應(yīng)用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應(yīng)性，應(yīng)用于人工骨、韌帶；利用其X-光透過性，應(yīng)用于X-光床板等。

　　利用碳纖維材料為主要原料的碳纖維結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是一種新型的加固技術(shù)。始于20世紀(jì)80年代美、日等發(fā)達(dá)國家，我國起步較晚，發(fā)展較快，建筑領(lǐng)域從80年代后半期開始把它作為鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼材的替代材料加以研究，并作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的張拉材料、建筑物的外墻材料、既有結(jié)構(gòu)物的加固材料等加以利用，已經(jīng)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

　?。ㄒ唬┨祭w維材料結(jié)構(gòu)加固適用范圍碳纖維材料適用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ)，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋梁、煙囪、筒體、殼體等結(jié)構(gòu)；另外，磚砌體的某些力學(xué)性能也可以用碳纖維進(jìn)行加固。

　　具體說來可以但不限制于：利用碳纖維加固公路橋敦結(jié)構(gòu)、對(duì)既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構(gòu)件抗彎加固、梁柱構(gòu)件的抗剪加固、混凝土柱子牛腿斷裂加固、砌體的抗震加固、承載力不足加固、樓宇增層加固、框架柱軸壓比超限加固、樓板開裂加固、剪力墻開洞加固、樓面荷載增大加固、橋梁斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。

　?。ǘ┨祭w維材料結(jié)構(gòu)加固施工過程中的技術(shù)特點(diǎn)碳纖維比重小，施工便捷，加固以后不影響外觀和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小于0.5mm，可以在基本不增加原結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸的狀況下，發(fā)揮強(qiáng)大的補(bǔ)強(qiáng)加固效果。補(bǔ)強(qiáng)功能全面，耐久性能好，還有優(yōu)良的抗紫外線及抗環(huán)境老化性能。

　?。ㄈ┨祭w維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)通過配套粘結(jié)材料將碳纖維片材粘貼十構(gòu)件表面，使碳纖維片材承受拉力，并與混凝土變形協(xié)調(diào)，共同受力。

　　（四）碳纖維片材可采用下列方式對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固：在梁、板構(gòu)件的受拉區(qū)粘貼碳纖維片材進(jìn)行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向一致；采用封閉式粘貼、U形粘貼或側(cè)面粘貼對(duì)梁、柱構(gòu)件進(jìn)行受剪加固，纖維方向宜與構(gòu)件軸向垂直；采用封閉式粘貼對(duì)柱進(jìn)行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當(dāng)有可靠依據(jù)時(shí)，碳纖維片材也可用十其它形式和其它受力狀況的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固；采用粘貼碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算；鋼筋和混凝土材料，{根據(jù)檢測得到的實(shí)際強(qiáng)度，按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其相應(yīng)的材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)；碳纖維片材應(yīng)根據(jù)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變，按線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定其相應(yīng)的應(yīng)力；碳纖維片材應(yīng)取生產(chǎn)廠提供的不小于95%保證率的極限抗拉強(qiáng)度作為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；當(dāng)采用粘貼碳纖維片材對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)考慮加固后對(duì)結(jié)構(gòu)中其它構(gòu)件或構(gòu)件的其它性能可能產(chǎn)生的影響；采用粘貼碳纖維片材進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，宜卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進(jìn)行加固，應(yīng)考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時(shí)，被加固混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的實(shí)際混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于Cl5.采用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C10?！∷摹⑻祭w維材料發(fā)展前境

　　碳纖維的諸多優(yōu)異特性，碳纖維應(yīng)用的范圍越來越廣。從50年代主要應(yīng)用在火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)，到80年代被廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)，隨著高性能及超高性能的碳纖維的相繼出現(xiàn)，它應(yīng)用的范圍越來越廣，如A380、波音777、美國新型主戰(zhàn)坦克，碳纖維比重占到15%以上。同時(shí)，隨著碳纖維加工技術(shù)的普及，它的應(yīng)用范圍自80年代起逐漸涉及到民用方面。到目前為止，我國各種應(yīng)用占碳纖維率需求比例分別為體育30%，航空10%，工業(yè)60%。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個(gè)意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景，綜觀多種新興的復(fù)合材料（如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料）的優(yōu)異性能，不少人預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時(shí)代進(jìn)入到一個(gè)碳纖維材料廣泛應(yīng)用的時(shí)代。