(锡林郭勒盟交通质监站，内蒙古，锡林浩特 026000)
摘 要：文章论述了碳纤维在土木工程中的应用，并分析了碳纤维质轻高强、耐腐蚀、抗老化及其优异的力学性能，指出用其加固补强混凝土结构施工简单便捷，可在今后的桥梁维修加固中得到广泛的应用。
关键词：碳纤维；碳纤维片；加固；补强
中图分类号：U445.7＋2 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)06—0249—02
2001年省道唐通线义井大桥进行了维修加固，把荷载标准由汽-13、拖60提高为汽-20、挂-100。此桥全长470m，33孔，上部结构为T型简支梁。其中5孔T梁的加固采用了碳纤维，经实验检测，效果很好。新型材料碳纤维在桥梁加固中将有广阔的前景。
1 国内外正在掀起碳纤维修复补强混凝土结构的研究热潮
碳纤维是航天工业开发的高新材料，70年代已经成熟，并应用于宇航中。
其中日本是研究碳纤维应用最早的国家，也是碳纤维的主要生产国。其碳纤维产量占全世界总产量的70%。特别是1995年板神大地震，使许多桥梁、建筑、公用设施遭到破坏。碳纤维片修复补强技术以其施工简单迅速、安全可靠、耐久性好等突出的特点，在震害修复和抗震加固中发挥了重要作用。我国是1997年开始对碳纤维加固修复混凝土结构进行研究的。1998年开始了实际工程应用。中国工程建筑标准化协会标准《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》已接近于完成。
2 碳纤维是桥梁加固的理想材料
碳纤维是纤维状的碳材料，是在几千度的高温下经过特殊工艺制造出的一种高科技产品。它具有高强轻质、抗腐蚀、耐老化、物理性能稳定等诸多优点。
其拉伸强度为钢材的7～10倍，比重仅为钢材的1/4。义井桥用的碳纤维布经驻地监理取样送上海测试中心检测，抗拉强度和拉伸摸量都达到表1的数值。
试验证明其抗酸、抗碱、抗盐性能良好。碳纤维片补强试件在10%的硫酸中浸泡3个月后，强度不降低；在40℃氢氧化钙饱和溶液中浸泡300h后，强度不降低；在35℃盐水中浸泡一年后，强度不降低。
温度稳定性好：碳纤维片可长期在-54℃～83℃条件下使用，强度不变。
耐水性好：在70℃水中浸渍30天，强度不降低。
抗紫外线、抗老化：经过自然暴露试验和加速暴露试验，利用红外线光谱仪对于加强暴露后的试件性能进行评估证实，碳纤维片的强度和粘贴性能在相当于50年的时间内不发生劣化，没有发现抗拉强度有任何损失［5］。
碳纤维根据其原料和生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维是把聚丙烯腈基纤维在惰性气体中高温加热所获得的纤维，属高强度型。沥青基碳纤维是把煤焦油在石油沥青抽丝后经高温烧结而成的纤维，属高弹性模量型。
什么是碳纤维片？碳纤维成品呈黑色细丝状，直径仅有7μm，很脆，极易折断，不能单独使用。把碳纤维浸渍树脂，用特殊工艺制成纤维定向排列的复合材料才能应用。碳纤维复合材料按其形状可分为片材，棒材和型材。片材应用较广，适合在混凝土结构补强中应用。棒材和型材应用较少。片材又分为碳纤维板和碳纤维布。很明显，碳纤维布的随意性优于碳纤维板。成品碳纤维片很薄，厚度＜1mm。
碳纤维板是以碳纤维为主要组分，衬以玻璃纤维网和纸，以树脂为黏结材料，通过一定的成型方法形成的单项排列的碳纤维的复合片材。是以板状包装供应的。
碳纤维布是用碳纤维织成布，再浸少量树脂制成的布料，是以布状成捆供应的。义井大桥加固用的是美国产的碳纤维布。
3 碳纤维补强技术的特点和优越性
3.1 优异的力学性能，可有效应用于多种形式的结构补强。包括抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展，等等。适用于各种类型的公路、铁路桥梁、楼房等建筑物。
3.2 优异的化学稳定性。碳纤维片具有极强的抗酸、碱、紫外线和防水能力。具有足够的适应气温变化的能力。外加防火涂层后可以有效地防火。因此，可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力，延长结构寿命。
3.3 材料本身质轻高强。可以不增加结构体积和不改变结构外形。增加的结构重量可以忽略。便于用所需要的色彩涂装，而不留补强痕迹。这是其他方法不可比拟的。
3.4 施工工序简单，可用小型电动工具操作。工种少，用工少，工期短，进度快。更有资料表明能在持续交通有真震动的情况下施工，而不影响补强效果［3,5］。从而大大缩短施工断交的时间，具有较大的经济效益和社会效益。
4 碳纤维修复补强混凝土结构的原理
将碳纤维片用专门配制的环氧树脂粘贴在结构表面，树脂固化后碳纤维与原结构形成新的受力复合体。碳纤维片即与钢筋共同受力。由于碳纤维片分担了荷载，钢筋的应力就降低了，使混凝土结构得到了加固补强。
碳纤维片的抗拉强度达3 400MPa，比钢材高7～10倍。弹性模量有23 500MPa～380 000MPa，与钢筋相近或略高。延伸率1.5％，比钢材低。因此，有与钢筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各异的环氧树脂材料，可以使界面树脂渗入混凝土中，碳纤维片材紧随构件外形粘贴，粘贴用的树脂又具有较高的黏结强度，能有效地传递两种材料间的应力，保证黏结界面不剥离。
5 用碳纤维片加固补强的方法
抗弯补强：碳纤维片贴在受拉的一侧。
抗剪补强 ：在梁的两侧面竖向粘贴，或与地面形成U型环包。相当于增加抗剪箍筋。
抗裂缝补强：沿裂缝的垂直方向粘贴。
柱状中心受压构件补强：柱中心环包粘贴。
剪力墙补强：在剪力墙单面或双面沿抗剪配筋方向粘贴碳纤维片。
碳纤维片补强施工工序如下：
构件表面处理——基层处理——涂底层涂料——刮腻子整平——涂下层浸渍环氧树脂——粘贴碳纤维片——涂上层浸渍环氧树脂——养护——防护涂装。
6 碳纤维片加固补强的施工要点
6.1 粘贴碳纤维片的混凝土结构表面要处理平整密实。先除去结构表面的风化、劣化层、油污等，露出坚实表面。露钢筋的要除锈、防锈。对混凝土裂缝要作相应处理。缝宽<0.2mm的用环氧树脂涂抹封闭，缝宽>0.2mm的用环氧树脂灌缝。粘贴面要打磨平整，拐角出打磨成直径不小于30mm的圆角。最后使表面保持清洁干燥。
6.2 施工中不要碰撞、弯折碳纤维片，避免碳纤维断丝。碳纤维丝很细，很脆，极易断丝。
6.3 粘贴碳纤维片要平整密实，不能出现空鼓或翘边。
6.4 碳纤维片纵向接头，必须搭接10cm以上，搭接部位应避开构件应力最大区段。多层粘贴时，各层的搭接不能在一个部位，层间必须错开至少50cm。
6.5 根据施工季节和不同的温度选择不同型号的底层涂料、环氧腻子和黏结用环氧树脂。
6.6 气温在－5℃以下，相对湿度RH>85%时，混凝土表面含水率>8%时，有结露可能而无有效预防措施时，不得施工。
6.7 可以在持续交通有震动的情况下施工。碳纤维片黏结在混凝土即黏结剂固化过程中振动对试件的负载性能没有任何负面影响［3］。
7 碳纤维片加固补强设计建议
7.1 提不过碳纤维片加固补强混凝土构件是一项新技术，碳纤维片强度取值在厂家提供设计值基础上乘以0.5～0.8的折减系数。
7.2 在实际工程中，加固构件属二次受力。若原结构受力较大，则应先算出加固前构件截面上混凝土、钢筋的应力，然后根据平截面假定分析计算。若原结构受力较小，为设计方便，可简单的考虑一共同工作系数，一般取0.8～1.0。
7.3 为保证碳纤维片强度的充分发挥，应尽量避免黏结破坏的发生。要选用性能可靠的黏结用胶;所加固构件的混凝土强度不得<C15；端部要有可靠的锚固措施，锚固长度尽可能的大。
7.4 试验表明，用厚度较小的碳纤维片加固钢筋混凝土梁时对梁的刚度提高很小，故对刚度要进行验算。
7.5 碳纤维片加固结构时，施工质量特别重要。否则加固效果大打折扣。纤维片的端部要考虑锚固措施。
总之，随着我国经济的快速发展，交通量日益增大。70、80年代修建的钢筋混凝土桥梁，大部分已经表现出不能满足通行要求。①荷载标准低；②在重车、超重车的作用下，出现了许多病害。旧桥维修加固任务很大。在旧桥加固中急需一种新型材料。碳纤维有着优异的力学品质，是理想的桥梁加固材料。可喜的是，国内已经能够生产少量碳纤维，而且品质已接近日本、美国等发达国家产品的品质，价格也在迅速下降。可以断言，在今后的桥梁加固中碳纤维必定发挥巨大作用。
［参考文献］
［1］ 马晨光.碳纤维片修复补强混凝土结构新技术的发展与应用［R］.中国公路旧桥改造与维修技术研讨会，2000,12.
［2］ 张圣城.桥梁加固和CFRP［R］.中国公路旧桥改造与维修技术研讨会，2000,12.
［3］ 沈琨.动力荷载下粘接碳纤维增强塑料（CFRP）板［R］.中国公路旧桥改造与维修技术研讨会，2000,12.
［4］ 陈开利.CFRP材料在桥梁加固工程中的应用［R］.中国公路旧桥改造与维修技术研讨会，2000,12.
［5］ [谷木谦介(日本)［Z］.关于混凝土结构修复补强工程中碳纤维片的耐久性能.
［6］ 吴刚,吕志涛.外贴碳纤维增强聚合物加固混凝土机构抗弯设计方法［R］.中国首届纤维增强材料（FRP）混凝土结构学术交流会，2000,6.