上海毅实建筑加固工程有限公司
碳纤维加固碳纤维又称高强度复合材料（carbon fiber reinforced piastics）cfrp，它加固修补混凝土结构技术是利用对混凝土有很强的渗透性和足够的粘结强度的树脂，将碳纤维布粘贴于混凝土表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物加固、补强的目的。由于它具有质量轻、减震性能好、现场粘贴无需重型设备、优良的耐化学性、能有效地封闭混凝土的裂缝以及易施工操作方便等优点，在桥梁结构加固中得到了较为广泛的应用。已有的研究结果表明，采用碳纤维加固桥梁可有效的恢复与提高桥梁结构的承载力。
当前，随着我国交通事业的不断发展，我国20世纪中后期建造的大部分桥梁开始进入了大修期，而采用加固技术对桥梁进行加固，恢复和提高旧桥的承载力和通行力也就成了维修的重点。而纵观一些常用的加固技术，如粘贴钢板加固法、体外施加预应力等，其在一定程度上会破坏原桥的结构。而相对于这些加固技术，碳纤维加固法因其所具有的优点，开始被广泛应用于桥梁的加固工程中。
2 碳纤维加固技术的特点及其在桥梁工程中的应用
2.1碳纤维加固技术的特点
1.采用碳纤维加固法方便快捷，不需要使用大型加固机具，效率高，施工速度快，所需工作面小。因而在作业空间受限时，该优点更是其他加固方法无法比拟的。
2.将碳纤维布粘贴在混凝土表面，可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，其高强高模量的特性还延缓或消除裂缝的生成和扩展，延长结构的使用寿命。
3.采用碳纤维布进行加固，不用打孔，无须设置锚固螺栓及开凿混凝土，因而不会对原结构造成新的损伤。
4.碳纤维布的自重仅为200-300g/m2，设计厚度为0.111-0.167mm，加上树脂系列的粘结材料的自重也很轻，对整个结构重量及桥下净空的影响是微乎其微。由于碳纤维布的厚度很薄，在粘贴固化后还可以涂刷一层与原结构颜色一致的涂料，因此应用于桥梁加固后不改变原有断面的大小和形状，外表轻巧美观。
5.经济耐用，加固效果好，不需要后期进行维修。
6.由于碳纤维材料本身抗疲劳性能优异，用碳纤维布加固的混凝土结构的抗疲劳性能将会提高。
7.碳纤维布是一种复合材料，几乎无性和磁性以及其有较好的耐热性，抗性强，应用面广，加固后的构件不仅经得起水泥碱性的侵蚀，同时也适用于经常受害侵蚀等性的环境，因而可以说碳纤维加固法可以应用于各种复杂工作环境中的构件加固。
8.碳纤维材料糙率低于混凝土表面糙率，在加固段可以提高水流的通过能力。
9.提高加固构件的抗渗能力和抗冲刷能力。
2.2碳纤维材料在桥梁工程中的应用
20世纪80年代末到90年代初，日本开始进行了碳纤维材料用于结构加固修补的研究，也是世界上很早采用碳纤维布进行桥梁加固的国家之一。随后，碳纤维加固技术开始在韩国、美国、欧洲、等国家得到了迅速的发展和应用。相对于美国、德国、日本等国家，我国对碳纤维加固桥梁技术的研究起步较晚。
碳纤维材料不仅可以用于桥梁上部结构的加固，也可以用于桥梁下部结构――墩台的加固，即在桥墩外面缠绕纤维，使桥墩的强度及受力状态得到明显改善，从而提高桥墩的承载能力。在进行加固时，可以将碳纤维布粘贴在混凝土梁的顶板、底板上，用于提高梁的刚度；也可以将其粘贴在混凝土梁的腹板上，用于提高梁的抗剪强度。
3 桥梁施工中碳纤维加固技术的施工要点
3.1表面处理
1.为了使加固时粘合剂和碳纤维更好地连接，在进行碳纤维的加固前可用人工凿除法、气动工具凿除法或高速射水法将加固部位表面的剥落、疏松、蜂窝、等劣化混凝土清除干净，露出混凝土结构层.并用修复材料将表面修复平整，确保施工面一定保持无杂物附着、无凹凸不平区域、无松散材料等。
2.按设计要求，应对桥梁的裂缝进行灌缝或封闭处理。然后待灌缝结束后将混凝土表面打磨平整，除去表层浮浆、油污等杂质。3.在桥梁转角处等较为复杂的部位时，在进行表面处理时应将其菱角部位处理并打磨成圆弧状，使其成为光滑的圆弧状。一般，要求处理后其圆弧半径不应小于2omm。很后混凝土表面应清理干净并保持干燥。
3.2涂刷底层树脂
1.应按产品生产厂提供的工艺规定配制底层树脂。在配制树脂时应按产品使用说明规定的配比称量置于容器中，用搅拌器均匀搅拌至色泽均匀。搅拌用容器内不得有油污及杂质。
2.由于底层树脂的性质容易受到环境、温度等因素的影响，因此在配制时应根据现场实际温度决定树脂的每次拌合量，并严格控制使用时间。
3.在涂刷底层树脂时，应采用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面，待其表面指触干燥后，即可进行下一工序的施工。
3.3找平处理
应对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，不应有棱角。转角处应采用找平材料修理成为光滑的圆弧，半径不应小于20mm。待找平材料表面指触干燥后，尽快进行下一工序的施工。
3.4粘贴碳纤维布
1.在粘贴碳纤维布前，应根据工程的设计要求，对施工基面的宽度及大小进行准确测量，要求其沿纤维受力方向的搭接长度不应小于1o0mm。这样，即可准确地裁剪碳纤维布，也可避免在粘贴时出现基面裸露、表面褶皱或边缘翘起等现象。 　　2.按工艺规定的配比将主剂和硬化剂放入拌合桶内进行配制浸渍树脂，在拌合时使用电动搅拌机进行拌合，要求两种材料要均匀拌合2min以上。待浸渍树脂配制好后即可均匀涂抹于粘贴部位。
3.碳纤维的选取要符合表1中性能指标的要求，具体见表1。
表1碳纤维布主要力学性能指标
性能 碳纤维布
抗拉强度标准值fck（mpa） ≥3000
弹性模量（mpa） ≥2.1×105
延伸率（%） ≥1.4
注：单层碳纤维布纤维单位面积质量不宜小于150g/m2，不宜高于400g/m2。
4.将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置，采用专用的带肋式滚刷顺纤维方向反复多次滚压，使碳纤维布和浸渍树脂充分融合，挤除布内的气泡，同时在滚压时不得损伤碳纤维布。
5.当采用多条或多层碳纤维布加固时，各条或各层碳纤维布的搭接位置宜相互错开。
3.5表面防护
1.粘贴完碳纤维布且成型后，考虑到其后期的使用寿命和保养等问题，根据工程的具体要求可在其表面人工涂抹保护涂料。如需要单纯的防止风于、延缓老化，需在碳纤维布的表面涂抹防晒漆；如果需要提高其防火性能，则需在其表面均匀涂上一层防火漆，避免高温损伤。一般，防护涂料应涂抹20-30mm厚。
2.在涂抹保护涂料时，要求涂料颜色与板底混凝土颜色一致，涂抹前应将表面清理干净，保证粘贴完碳纤维布的梁底美观。
4 碳纤维布加固时的施工注意事项
4.1在表面处理和粘贴碳纤维布前应按加固设计部位放线定位。
4.2碳纤维布配套树脂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
4.3在进行混凝土病害部位的清理时，要注意不要损伤梁体原有钢筋（尤其是主筋）。
4.4碳纤维为导电材料，使用时应尽量原理气设备及电源。
4.5碳纤维布粘贴完毕后24小时内严禁扰动，达到加固效果后严禁对碳纤维有任何的人为损伤。
4.6碳纤维布施工时宜在5℃以上环境温度条件下进行；当环境温度低于5℃时，应使用适用于低温的配套树脂或采用升温处理措施。
4.7在进行碳纤维布施工时必须要穿戴保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。
5 结束语
当前，随着我国经济建设的快速发展，交通量急剧增加，大部分桥梁结构经常处于超负荷的工作状态，桥梁老化速度明显加快，桥梁结构的损害情况也日益增加，这就使得桥梁维修加固的工作日益繁重。在几种加固桥梁的技术中，很多在维修过程中会破坏桥梁的现有结构，或者是有些对施工场地有特别的要求。而采用碳纤维进行桥梁的加固，其可很好地避免其他几种加固技术的缺点，提高桥梁的加固质量和效率，因此在我国桥梁的维修加固中得到了广泛的应用。但随着碳纤维加固技术的大量应用，希望工作在线的桥梁工程师们和施工人员可以根据实际的工作经验，进一步了解这种加固技术的优缺点，进一步完善其在桥梁加固中的应用。相信随着我国桥梁建设的不断发展，碳纤维加固技术会有更好的发展潜力。
碳纤维加固为了保证交通畅通，就需要对桥梁进行维修、加固和改造。目前常用的加固方法有加大截面法、粘钢加固法、外包钢加固法、碳纤维加固法等。其中碳纤维加固法一项新型的结构加固技术，它将碳纤维材料通过树脂类胶结材料粘贴在混凝土结构的表面，与之形成整体的受力体系，从而改善结构受力性能，达到补强加固结构的目的。
1. 进行碳纤维材料加固技术研究的必要性
1.1国家科技战略发展的需要。
关于碳纤维材料在混凝土结构加固修补技术，上世纪80年代初，美、日等发达国家就着手进行这方面的试验和研究，已经相当成熟。目前世界上碳纤维生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家。日本三家以腈纶纤维为主要产品的公司（东丽、东邦以及三菱人造丝公司）依靠其先进的纺丝技术，形成了高性能原丝生产的优势，占据了世界75%以上的产量。上世纪90年代末 ，我国开始碳纤维加固技术的研究，并在桥梁工程结构加固中开始普及应用。但与国际先进水平相比，还存在一定的差距，总体发展水平落后近20～30年，目前我国95%的碳纤维要依靠进口。
科技实力是综合国力的主要支柱之一，占领科技发展的制高点，才能掌握主动权。我国非常重视碳纤维产业的发展，国家“863计划”以及有关部委都在关心我国碳纤维工业的发展及其产业化步伐，并给予强有力的支持；“十一o五”发展规划中把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内获得突破的高新技术纤维品种，又启动了相关“973计划”，为我国碳纤维的发展创造了得天独厚条件。
1.2建设节约型社会的需要。
在《公路旧桥检测评定与加固技术研究及推广应用》项目鉴定验收会上，交通部领导与参评专家对这项研究给予高度评价，他们认为该项研究成果为我国路网优化改造和危桥改造计划的顺利实施，提供了强有力的技术支持，体现了建设节约型行业的科学发展观，促进了我们建设低碳节约型社会。
1.3科学技术发展的需要。
桥梁的修复工程各具特点，为科学研究提供了大量科学的数据。经过多年的系统研究，我国已经基本建立了在役桥梁检测与维修加固的一系列标准规范，形成了较完备的实用技术体系。工程材料的进步和新材料的出现历来是土木工程发展的先驱和动力，碳纤维材料的出现和成功的用于土木工程的加固与补强上，使土木工程加固技术研究更上一个台阶。
2. 碳纤维材料的特性
碳纤维材料，是迄今为止应用于土木工程领域很早、技术很成熟、用量很大的一种高科技材料。作为划时代的补强材料，与传统的补强材料相比，具有许多不可替代的优势和特点。碳纤维（carbon fiber，简称 cf），是由有机母体纤维（例如聚丙烯腈、粘胶丝或沥青），在1000～3000℃高温的惰性气体环境下（除碳以外的所有元素都被去除），采用高温分解法制成的含碳量在95%以上的新型纤维材料。它不仅具有碳材料固有的本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代高强度纤维材料。由于具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，被称为新材料之王，在国际上被誉为“黑色黄金”、“第三代材料”。 它的比重不到钢材的1/4，而抗拉强度是钢材的7~9倍，抗拉弹性模量也高于钢材，而且具有很强的耐碱行和耐蚀性。
近些年来，碳纤维材料在土木工程领域中的应用，一直是国内外研究的热点。国内外的碳纤维及其复合材料工业处于高速发展的时期，生产技术和生产效率明显提高，产品成本稳中有降。随着碳纤维材料加固混凝土结构的新技术的蓬勃发展，其在建筑行业得到广泛的应用。
3. 碳纤维加固的定义、原理、特点和适用范围
3.1碳纤维加固的定义。
碳纤维加固是指用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘将碳纤维材料贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作，提高结构构件的抗弯、抗剪承载能力。
3.2碳纤维加固的原理。
用于建筑结构加固的碳纤维材料具有良好的力学性能。碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝具有相同的方向性，能共同工作，这是加固补强的必要条件和关键所在。而将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸后，就成为复合增强材料（单向连续纤维），大大提高碳纤维布的抗拉强度；而后用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的构件上，形成一个新的复合体，使粘贴材料与原有钢筋混凝土协同工作，改善了加固构件的受力性能，增强了构件的抗裂抗剪能力，到达了补强加固的目的。因此，粘结剂对碳纤维布的加固起着至关重要的作用。
3.3碳纤维加固的特点。 h
粘贴碳纤维布复合材料加固桥梁，与粘贴钢板加固相比，具有如下优点：
（1）施工方便快捷，不需要使用大型加固机具，效率高，施工速度快。
（2）可以有效的封闭混凝土结构的裂缝，延缓或消除裂缝的出现和扩展，延长结构的使用寿命。
（3）不用打孔，不会对原结构造成新的损伤。
（4）加固后不改变原有断面的大小和形状，外表轻巧美观。
（5）经济耐用，加固效果好，不需要后期进行维修。
（6）由于碳纤维材料本身抗疲性能优异，用碳纤维布加固的混凝土结构的抗疲劳性能将会提高。
（7）抗腐蚀性强，应用面广，加固后的构件的耐腐蚀性和耐久性得到大大提高，可以应用于各种复杂工作环境中的构件加固。
（8）碳纤维材料糙率低于混凝土表面糙率，在加固段可以提高水流的通过能力。
（9）提高加固构件的抗渗能力和抗冲刷能力。
3.4碳纤维加固的适用范围。
（1）混凝土结构抗弯、抗剪构件加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。
（2）混凝土结构物、桥梁及建筑物的梁、柱、面板加固。
（3）隧道、港湾设施、烟囱、厂房、仓库的加固。
（4）受碱害的混凝土、桥梁以及河川构造物的防护和加固。
4. 碳纤维加固材料的分类、比较和发展状况
4.1碳纤维加固材料的分类
碳纤维材料包括碳纤维布和碳纤维板两种：碳纤维布是连续碳纤维单向或多向排列，未经树脂浸渍的布状制品；碳纤维板材是连续碳纤维单向或多向排列，并经树脂浸渍固化的板状制品。
4.2碳纤维加固材料的比较。
下面对于两种加固材料的物理性能进行一些对比（见表1、表2）。
4.2.1在施工方面，与碳纤维布相比，碳纤维板具有以下优点：
（1）施工方便，施工质量更容易保证。
（2）强度高，1层1.2mm厚板相当于10层碳纤维布作用。
（3）碳纤维板比碳纤维布容易保持纤维顺直，更有利于碳纤维发挥作用。
（4）碳纤维板材更适用于预应力加固方式，能更加充分发挥碳纤维高强度作用。
（5）纤维板与纤维布相比，更适合于砖混结构的墙体加固。
4.2.2与碳纤维布相比，碳纤维板具有如下的缺点：
（1）碳纤维布适用范围更广，能够任意裁剪，加固各种形状（圆形或复杂曲面）的结构。
（2）价格昂贵，限制了碳纤维板的应用。
5. 碳纤维施工工艺要点
碳纤维加固施工工艺流程：混凝土构件表面处理→涂刷底胶→粘贴碳纤维→涂刷保护胶→养护→涂装。
施工工工艺流程要点：
（1）清除待加固构件混凝土表面的风化层，并凿毛，露出新茬，施工面总体上要求平整、干净。
（2）将界面树脂均匀地涂刷在施工面上，不可遗漏，待不粘手时，用修平树脂找平施工基面；修平树脂不粘手时，在施工基面上均匀地涂刷浸渍树脂，厚度为3mm～5mm，要全部盖住施工基面。
（3）粘贴碳纤维材料之前，首先应先确认粘贴表面干燥；粘贴时，在碳纤维和树脂之间尽量不要有空气，可用罗拉（专用工具）沿着纤维方向在碳纤维材料上滚压多次，使树脂渗浸入碳纤维中。
（4）确认碳纤维与树脂之间无空气后，在碳纤维上均匀涂一层浸渍树脂，厚度一般为1mm～2mm。
（5）粘贴碳纤维材料后，需要自然养护1～2小时，达到初期固化，并要保证固化期间不受到外界碰撞和干扰。
（6）养护7天后，表面涂刷具有抗老化及耐腐蚀性能的防护层，很后做表面装饰层，使其与周围的混凝土相一致。
6. 结语
碳纤维材料具有很多独特的性能和优点，产生的综合经济效益和社会效益都很好，具有广阔的应用前景，值得大力推广。但任何事物都有其局限性，比如碳纤维材料不能承受抗压。因此在进行桥梁加固时，我们要充分考虑建筑物的性能和补强的需要，做出科学的选择。
2.2环氧树脂
2．2．1简介
仅仅依靠碳纤维布本身并不能充分发挥其优异的力学特性及耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维布粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能十分关键。不同类型的环氧树脂有不同的性能，可满足各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度。粘贴碳纤维布的环氧树脂易于透过碳纤维布，并产生很强的粘结力。根据使用温度的不同，树脂还分为夏用和冬用树脂。
2．2．2物理性能
碳纤维布施工中需使用底涂、腻子、浸渗粘着树脂3种环氧树脂，上述环氧树脂的使用目的各不相同，其物理性标准也各异。一般要求底层树脂及找平材料的正拉结强度大于2．5 mpa且不小于被加固混凝土拉结强度的标准值，而浸渍树脂和粘结树脂性能指标则应达到表2的要求。
碳纤维加固碳纤维丝在绝氧情况下具有极佳的耐热性(可耐2000cc高温)，它的升华温度高达3650cc左右。但在有氧情况下。当温度高于400cc时即发生明显氧化。当其暴露在600cc的空气中lomin后，纤维大部分被氧化，强度下降¨。。。
(2)高温下胶粘剂的力学性能高温下结构胶粘剂达到其玻璃化温度 时，胶粘剂软化，其粘结强度显著下降。e．l．klamer 以及吴波_1 分别通过面内剪切试验研究了结构胶在一10—120oc之间其极限粘结强度随温度的变化规律。
(3)高温下cfrp材料的力学性能加拿大queen’s university的bisbyl9 在其博士论文中整理各种frp材料的高温下抗拉性能和弹性模量随温度的变化规律，并通过很小二乘回归分析，得到了一个s型函数拟合各种frp材料的高温性能，离散性较大。其中cfrp高温下的抗拉强度和弹性模量随温度变化曲线分别如图6和图7所示，比值为高温下试验值与常温下试验值之比。
2 cfrp加固构件火灾试验研究与存在的问题
2.3碳纤维布的加固原理
粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结材料将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，以提高结构构件的承载(抗弯、抗剪)能力。用于建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度约为普通钢材的10倍。但碳纤维材料织成碳纤维布后，碳纤维丝很难完全共同工作，在承受荷载时，各碳纤维丝先后达到抗拉极限并逐渐断裂，直至整体破坏，而使用粘结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大大提高了碳纤维布的抗拉强度。因此粘结剂对碳纤维布的加固起着关键作用。

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