碳纖維加固工程方案

碳纖維材料在結構加固中的運用

一、高強碳纖維材料的特性

碳纖維是一種由有機母體纖維（例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青）採用高溫分解法在1000～3000度高溫的惰性氣體下去除碳以外的所有元素製成的新型非金屬材料。具有高比強、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、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹係數小、自潤滑和吸能抗震等一系列優異性能。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。儘管碳纖維質量輕，但它強度高，有很高的「比強度」（比強度＝材料的強度極限/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），一般僅約為19克；拉力高達300KG/MM2；目前幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那麼多的優異寶貴的電學、熱學和力學性能。

二、高強碳纖維材料在生產生活方面的運用

碳纖維材料有著如此神奇的性能，理所當然地被人們廣泛應用於各個領域。

用碳纖維與塑料製成的複合材料所做的飛機輕巧，而且消耗動力少，推力大，噪音小；用碳纖維增強塑料來製造衛星和火箭等宇宙飛行器，機械強度高，質量小，可節約大量的燃料；用碳纖維制電子計算機的磁碟，能提高計算機的儲存量和運算速度；在體育器材應用中主要用於製作高爾夫棒、網球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、遊艇、賽艇、滑翔機、人力飛機、帆船桅杆、摩托車及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀岩頭盔等。

碳纖維利用其特有的力學特性，廣泛應用於航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其振動衰減性，應用於音響器材；利用其耐疲勞性，應用於直升飛機的葉片；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其尺寸穩定性，應用於宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐藥品性，應用於密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用於電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用於人工骨、韌帶；利用其X-光透過性，應用於X-光床板等。

三、碳纖維材料在結構加固方面的運用

利用碳纖維材料為主要原料的碳纖維結構加固技術是一種新型的加固技術。始於20世紀80年代美、日等發達國家，我國起步較晚，發展較快，建築領域從80年代後半期開始把它作為鋼筋、預應力混凝土鋼材的替代材料加以研究，並作為預應力混凝土橋樑的張拉材料、建築物的外牆材料、既有結構物的加固材料等加以利用，已經產生較大的經濟效益。

（一）碳纖維材料結構加固適用範圍碳纖維材料適用於各種結構類型、各種結構部位的加固修補，如梁、板、柱、屋架、橋墩、橋樑、煙囪、筒體、殼體等結構；另外，磚砌體的某些力學性能也可以用碳纖維進行加固。

具體說來可以但不限制於：利用碳纖維加固公路橋敦結構、對既有鋼筋混凝土煙囪的加固；構件抗彎加固、樑柱構件的抗剪加固、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、剪力牆開洞加固、樓面荷載增大加固、橋樑斷裂、舊橋大修加固和水塔加固等等。

（二）碳纖維材料結構加固施工過程中的技術特點碳纖維比重小，施工便捷，加固以後不影響外觀和自重。碳纖維比重只有鋼鐵的1/4，厚度小於0.5mm，可以在基本不增加原結構自重及截面尺寸的狀況下，發揮強大的補強加固效果。補強功能全面，耐久性能好，還有優良的抗紫外線及抗環境老化性能。

（三）碳纖維片材加固修復混凝土結構規範採用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應通過配套粘結材料將碳纖維片材粘貼十構件表面，使碳纖維片材承受拉力，並與混凝土變形協調，共同受力。

（四）碳纖維片材可採用下列方式對混凝土結構構件進行加固：在梁、板構件的受拉區粘貼碳纖維片材進行受彎加固，纖維方向與加固處的受拉方向一致；採用封閉式粘貼、U形粘貼或側面粘貼對梁、柱構件進行受剪加固，纖維方向宜與構件軸向垂直；採用封閉式粘貼對柱進行抗震加固，纖維方向與柱軸向垂；當有可靠依據時，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構構件的加固；採用粘貼碳纖維片材加固混凝土結構時，應按國家現行有關標準採用以概率理論為基礎的極限狀態設計法進行承載能力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算；鋼筋和混凝土材料，{根據檢測得到的實際強度，按國家現行有關標準確定其相應的材料強度設計指標；碳纖維片材應根據構件達到極限狀態時的應變，按線彈性應力應變關係確定其相應的應力；碳纖維片材應取生產廠提供的不小於95%保證率的極限抗拉強度作為抗拉強度標準值；當採用粘貼碳纖維片材對結構或構件進行加固時，應考慮加固後對結構中其它構件或構件的其它性能可能產生的影響；採用粘貼碳纖維片材進行結構加固時，宜卸除作用在結構上的活荷載。如不能在完全卸載條件下進行加固，應考慮二次受力的影響；在受彎加固和受剪加固時，被加固混凝土結構和構件的實際混凝土強度等級不應低於Cl5.採用封閉粘貼碳纖維片材加固混凝土柱時，混凝土強度等級不應低於C10。

四、碳纖維材料發展前景

碳纖維的諸多優異特性，碳纖維應用的範圍越來越廣。從50年代主要應用在火箭、宇航及航空等尖端科學，到80年代被廣泛應用於體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。同時，隨著高性能及超高性能的碳纖維的相繼出現，它應用的範圍越來越廣，如A380、波音777、美國新型主戰坦克，碳纖維比重佔到15%以上。同時，隨著碳纖維加工技術的普及，它的應用範圍自80年代起逐漸涉及到民用方面。到目前為止，我國各種應用占碳纖維率需求比例分別為體育30%，航空10%，工業60%。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的複合材料（如高分子複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料）的優異性能，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個碳纖維材料廣泛應用的時代。

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