摘 要：碳纖維加固材料是各類(lèi)建筑維修加固補(bǔ)強(qiáng)的常用材料之一。碳纖維加固材料的生產(chǎn)工藝及種類(lèi)繁多，對(duì)施工環(huán)境和施工的工法存在一些特殊的要求，同時(shí)受力方式與一般的各向同性材料有較大區(qū)別。本文分析了我國(guó)碳纖維原絲及碳纖維加固材料的生產(chǎn)情況，對(duì)比了國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的力學(xué)性能并分析了相關(guān)應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)碳纖維加固材料的材料水平及加固應(yīng)用水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外對(duì)比了國(guó)外碳纖維加固材料應(yīng)用及相關(guān)規(guī)范發(fā)展，提出了我國(guó)碳纖維加固材料的發(fā)展前景。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)加固 生產(chǎn)工藝 材料性能

　　據(jù)聯(lián)合國(guó)人居中心預(yù)測(cè)，2050年世界城市化水平將達(dá)到61%，發(fā)達(dá)國(guó)家城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到90%，同時(shí)，大量老舊結(jié)構(gòu)亟待修繕、改造和加固。住建部下發(fā)的《城鄉(xiāng)建設(shè)抗震防災(zāi)“十三五”規(guī)劃》中，既有建筑的加固改造是抗震防災(zāi)建設(shè)的重中之重，中國(guó)自21世紀(jì)以來(lái)已步入新建與改造并存的建筑時(shí)代。在加固改造工程中，碳纖維作為一種強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕、施工便捷的結(jié)構(gòu)加固材料在各類(lèi)加固工程中已經(jīng)擁有廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)建筑行業(yè)使用碳纖維原絲約3900t，其中80%以上用于老舊結(jié)構(gòu)的加固維修。然而由于碳纖維制品的生產(chǎn)工藝及種類(lèi)繁多，對(duì)施工環(huán)境及施工工法存在一些特殊的要求，錯(cuò)誤的選擇碳纖維加固材料會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。同時(shí)由于受力方式與一般的各項(xiàng)同性材料(如鋼材等)有較大區(qū)別，在加固工程中如何良好地運(yùn)用碳纖維加固材料達(dá)到既定的承載力目標(biāo)是現(xiàn)今研究的重點(diǎn)之一。

　　1 碳纖維原絲的生產(chǎn)現(xiàn)狀

　　自1959年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司UCC研制成功世界上最早的粘膠基碳纖維Thornel-25以來(lái)，碳纖維復(fù)合材料歷經(jīng)60年發(fā)展，產(chǎn)生了以聚丙烯腈基(PAN基)為主的，包含瀝青基(MP)、粘膠基(VS)以及氣相生產(chǎn)碳纖維等多種生產(chǎn)工藝的各類(lèi)碳纖維原絲。碳纖維原絲制作普遍采用高溫碳化工藝將有機(jī)纖維材料制成碳纖維絲束，以聚丙烯腈基碳纖維原絲為例[1]：先以丙烯腈聚合物紡絲制成聚丙烯腈纖維原絲;再對(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行預(yù)氧化、低溫碳化、高溫石墨化制成碳纖維絲;最后采用浸漬清洗及上漿的表面處理方法，清除原絲上附著的雜質(zhì)，并引進(jìn)極性或反應(yīng)型官能團(tuán)，利于后續(xù)樹(shù)脂等基材的復(fù)合作用。

　　目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域所用碳纖維材料產(chǎn)品采用的碳纖維原絲以聚丙烯腈基為主。早期碳纖維原絲完全依賴于進(jìn)口，直至21世紀(jì)初隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展，以及國(guó)外產(chǎn)品的出口禁令等原因，逐漸催生了一批國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲廠家，如威海光威、中復(fù)神鷹、中安信等具備生產(chǎn)較高品質(zhì)碳纖維原絲的能力。國(guó)產(chǎn)化民用碳纖維原絲已可達(dá)對(duì)標(biāo)日本toray生產(chǎn)的高強(qiáng)T800級(jí)、高模量M46級(jí)等的水平，國(guó)內(nèi)外主要品牌的碳纖維原絲物理性能對(duì)比如表1所示。

　　2 碳纖維加固材料的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　2.1 碳纖維加固材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀

　　加固工程中廣泛運(yùn)用的碳纖維加固材料主要分為：碳纖維織物、碳纖維復(fù)合型材、預(yù)應(yīng)力碳纖維系統(tǒng)及短切碳纖維添加劑等幾大類(lèi)。其中碳纖維織物搭配膠粘劑形成復(fù)合材料可應(yīng)用于實(shí)際加固工程中，而短切纖維一般為混凝土或砂漿添加劑，用于提高混凝土或砂漿的延性。21世紀(jì)初，國(guó)產(chǎn)碳纖維織物由于編織工藝等技術(shù)問(wèn)題，普遍存在碳纖維“起毛刺”、“斷頭再接”、“纏繞黏連”等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。重要結(jié)構(gòu)及項(xiàng)目中應(yīng)用的碳纖維加固材料主要依賴于日本toray、瑞士Sika、德國(guó)Fisher、美國(guó)Simpson等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口。近年來(lái)，以上海悍馬建筑科技有限公司為首的國(guó)內(nèi)加固材料生產(chǎn)廠家引進(jìn)德國(guó)多尼爾編織技術(shù)，改良并優(yōu)化碳纖維織物的編織工藝，對(duì)碳纖維原絲的編織張力及緯線張力進(jìn)行精細(xì)化控制，生產(chǎn)的碳纖維織物強(qiáng)度可達(dá)4.2GPa，彈性模量可達(dá)240GPa。碳纖維復(fù)合型材的拉、擠技術(shù)始于美國(guó)，20世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)線用于玻璃纖維型材的生產(chǎn)。通過(guò)在機(jī)械原理、新型樹(shù)脂及固化劑等方面的優(yōu)化升級(jí)，目前我國(guó)拉、擠纖維制品產(chǎn)量已占全球產(chǎn)量50%以上，拉、擠技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平。表2列舉了瑞士SIKA、美國(guó)TYFO、上海悍馬、天津卡本等碳纖維織物的物理性能指標(biāo)。

　　近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)也同樣得到了加固行業(yè)的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外大量專(zhuān)家學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維板的加固效率、疲勞性能以及不同的錨固形式作了大量的研究。各類(lèi)預(yù)應(yīng)力碳纖維板系統(tǒng)主要區(qū)別在于錨固或張拉形式有所差異，主流產(chǎn)品包括楔形機(jī)械夾持錨具、波形摩擦夾持錨具或膠粘型錨具等。其中較為成熟的有上海悍馬的弧形錨具純機(jī)械夾持技術(shù)、南京曼卡特的平板錨具機(jī)械夾持技術(shù)，天津卡本的楔形膠粘錨具技術(shù)。預(yù)應(yīng)力碳纖維板已在國(guó)內(nèi)許多加固工程尤其是橋梁領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　2.2 碳纖維加固材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，截至2019年底，全國(guó)公路總里程達(dá)484.65萬(wàn)km，公路橋梁85.15萬(wàn)座[2]。“四”、“五”類(lèi)危橋近10萬(wàn)座，亟需進(jìn)行修復(fù)與加固工程。同時(shí)截至2019年5月，我國(guó)現(xiàn)存老舊小區(qū)(2000年前)超16 萬(wàn)個(gè)，建筑面積約40億m2，同樣亟需加固改造。在國(guó)內(nèi)的加固改造工程中，應(yīng)用最為廣泛的碳纖維加固材料為碳纖維織物與碳纖維復(fù)合板材兩大類(lèi)。在過(guò)去的研究及國(guó)家規(guī)范中普遍認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料作為一種各項(xiàng)異性材料，可設(shè)計(jì)為承受拉應(yīng)力的作用，因此可用于混凝土結(jié)構(gòu)抗彎承載力補(bǔ)強(qiáng)，抗剪承載力補(bǔ)強(qiáng)，豎向構(gòu)件提高延性的抗震加固等方面。萬(wàn)秋實(shí)等[3]的研究表明混凝土梁的抗彎承載力在粘貼多層碳布時(shí)可得到較為顯著的提升(三層時(shí)屈服荷載提升20%，極限承載力提升48%～64%)，但是由于待加固構(gòu)件的初始荷載難以全部卸除，同時(shí)由于膠粘劑與混凝土間粘接破壞與混凝土保護(hù)層的剝離破壞影響顯著，需考慮混凝土基材實(shí)際強(qiáng)度與錨固措施的影響。周朝陽(yáng)等[4]人的試驗(yàn)證明類(lèi)箍筋形式粘貼碳纖維織物通過(guò)限制剪切斜裂縫的開(kāi)展，能有效提高構(gòu)件的極限荷載。在完全環(huán)繞粘貼避免碳纖維剝離的情況下提升極限承載力可達(dá)45%。盧春玲等[5]通過(guò)碳纖維布環(huán)繞包裹混凝土圓柱的軸心受壓實(shí)驗(yàn)，以及江世永等[6]通過(guò)碳纖維布環(huán)繞包裹混凝土方柱的滯回實(shí)驗(yàn)，證明碳纖維環(huán)對(duì)柱的約束作用以及延性提高的作用。結(jié)構(gòu)柱通過(guò)多層纏繞包裹碳纖維布，其抗壓承載力提高量可達(dá)70.8%，混凝土部分對(duì)承載力的貢獻(xiàn)提升量達(dá)118.6%，類(lèi)似抗壓設(shè)計(jì)計(jì)算亦可采用箍筋約束混凝土的計(jì)算方法。同時(shí)，碳纖維環(huán)繞包裹鋼筋混凝土柱時(shí)，通過(guò)提升混凝土的名義壓應(yīng)力可顯著提升混凝土的破壞應(yīng)變，延性系數(shù)增幅可達(dá)151%。實(shí)際工程應(yīng)用于設(shè)計(jì)案例中，碳纖維加固已作為一種常見(jiàn)的加固手段納入GB50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的主要條文中，涵蓋了碳纖維織物、板材加固鋼筋混凝土構(gòu)件的正截面、斜截面以及延性加固設(shè)計(jì)方法與可靠度判定。

　　此外，預(yù)應(yīng)力碳纖維板作為一種新型的主動(dòng)加固工法，在改善既有結(jié)構(gòu)形變以及補(bǔ)充各類(lèi)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失上亦有良好的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)加固工程中使用的碳纖維板一般采用60%碳纖維絲束含量的單向碳纖維層合板，抗拉強(qiáng)度可達(dá)2400～2800MPa，彈性模量為160～240GPa。Ye[7]等設(shè)計(jì)的楔形自鎖式錨具對(duì)于5cm寬幅以及10cm寬幅的碳纖維板均可達(dá)90%～100%其極限強(qiáng)度的張拉效率，同時(shí)在100MPa，2×106次的疲勞荷載下均能保持良好的承載情況。實(shí)際應(yīng)用工程項(xiàng)目中，武漢軍山長(zhǎng)江大橋在2018年的修繕項(xiàng)目上應(yīng)用了3220套上海悍馬公司生產(chǎn)的2cm預(yù)應(yīng)力碳纖維錨具，同樣取得了良好的應(yīng)用效果。

　　盡管碳纖維加固材料在梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓，彎、剪以及抗震延性加固等方面均有良好的表現(xiàn)，試驗(yàn)資料同樣顯示在使用碳纖維材料加固時(shí)，原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍要求有一定的承載力，碳纖維材料僅能提升而非替代原結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載。

　　3 國(guó)外碳纖維加固材料的現(xiàn)狀

　　自20世紀(jì)70年代以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍步入建筑改造修繕為主的后建筑時(shí)代。以美國(guó)為例，根據(jù)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(ASCE)針對(duì)美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)布的年度報(bào)告，全美共計(jì)614387座橋梁中，40%已經(jīng)使用50年以上，全國(guó)近10%的橋梁存在結(jié)構(gòu)性缺陷，預(yù)計(jì)修繕費(fèi)用達(dá)1230億美元。全美基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)分僅為D+，截至2027年共需投入4.59萬(wàn)億美元用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)，其中約有20%～30%將由碳纖維加固承擔(dān)。依據(jù)美國(guó)ACI440.2R-17中條文，外粘纖維復(fù)合材加固既有建筑時(shí)，規(guī)范對(duì)其物理性能、耐久性能及耐環(huán)境侵蝕性能，如耐火耐潮濕等均作詳細(xì)規(guī)定。相對(duì)于其他常用纖維復(fù)合材，如玻璃纖維與玄武巖纖維等，碳纖維在強(qiáng)度及模量方面均有較大優(yōu)勢(shì)。表3列舉了常見(jiàn)纖維復(fù)合材料的基本性能范圍。

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