炭纖維和環氧樹脂運用于混凝土結構補強的新技術
炭纖維片材(布、板)補強、補修技術是鋼筋混凝土結構體外補強，補修的一種新技術，在國外特別是在日本已經很成熟，并得到廣泛認同和應用。辰日株式會社近年努力在國內宣傳和推進這一新技術，目的就是利用辰日是在日本注冊的典型的新華人企業的特點，直接、快捷地介紹和引進日本的新補強技術，為使祖國的混凝土結構補強技術得到新的發展，愿意貢獻我們的一份力量。
幾年來，國內的很多公司、高等院校和科研單位也都在積極地推進這一新技術的應用，經過消化吸收，這項技術在許多省市多項工程中得以成功應用。隨著2O03年4月炭纖維補強的標準(GB)的計劃出臺，很明顯它必將遵循市場規律，使我國混凝土結構補強技術迅速上一個臺階。但為什么炭纖維補強技術會形成結構補強技術的新趨勢?它的基本原理和方法是怎樣的?我們必須從傳統補強方法說起。
一、混凝土結構的損壞及傳統補強方法
已建混凝土結構損壞的原因很多，大致有以下幾方面：
?設計不周，施工缺陷：這類問題本應避免，但無法杜絕。因層出不窮，有的很嚴重；
?年久老化：建國以來和改革開放以來大規模建設的工程正分批陸續接近壽命期，甚至超期服役；
?腐蝕：受酸、堿、鹽侵害，風化，水的滲透，凍融損壞；
?意外災害：地震、臺風、凌汛、人為撞擊、火災等損壞；
?超載。
以上原因直接導致混凝土粉化，疏松、剝落、開裂和鋼筋銹蝕。使結構物裂縫擴展、剛度降低，撓度增大、承載力削弱甚至喪失。以至結構物涉險服役，嚴重的不堪再用。因此，新世紀開始，我國將出現結構修復補強的浪潮，甚至會持續相當長時間。
過去常使用的傳統補強方法，主要有加大截面法，體外預應力法和外包鋼板法幾種。加大截面法又名外包混凝土法。主要是將截面加寬、加厚、加高，以容納新增鋼筋。此法很有效，但增加結構體積和自重，造成肥梁胖柱、施工工序繁多、用工多、施工期長，且要用大型機械，還必須有很大施工空間；體外預應力法是在梁下加受拉弦桿，和立柱一起形成反拱架，補強效果好但也有上述各種缺點，特別是結構高度增大很多；外包鋼板法又稱粘鋼法，除上述缺陷外。難于緊貼原結構表面，且不耐腐蝕，必須定期防銹。因此，傳統補強方法的應用場合受到種種限制，甚至某些條件下無法采用。
二、炭纖維補強的方法
炭纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續炭纖維，單向排列成束，用環氧樹脂漫漬形成為炭纖維補強復合材料片材忙Carbon Fiber Reinforced Plastics或Polymer簡稱CFRP)。將片材用專門配制的環氧樹脂貼在結構受拉面樹脂固化后與原結構形成新的受力復合體，炭纖維片即可與鋼筋共同受力。由于炭纖維片分擔了荷載，就降低了鋼筋的應力，而使結構得到加固補強。
高強度炭纖維片的抗拉強度可達3400N／mm2。比鋼材高7～10倍。因此，有很好的與鋼筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各異的環氧樹脂料，可以使界面樹脂滲入混凝土中，片材緊隨構件外形粘貼，粘貼用的樹脂料又具有較高粘結強度，能有效傳遞炭纖維片與混凝土兩種材料間的應力，保證不產生界面的粘結剝離。
㈠梁、板結構補強
各種類型公路、鐵路橋梁、橋板和建筑物的梁、板都可應用。
1.抗彎補強
炭纖維片貼在受拉一側，即跨中的下部和連續板、連續梁、懸臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘貼。
由于炭纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時延伸率小于鋼筋，故在結構受力時先行受力，隨載荷逐漸增加達到兩者變形協調時，兩者共同受力并按一定比例分配。往往在補強前或因原有鋼筋銹蝕造成截面積不足，或因超載原有鋼筋應力過大，補強后炭纖維分擔了拉力， 使鋼筋應力大大降低，結構承載力得以提高。
抗彎補強時，可以根據受力需要貼一層至多層，還可應用高彈性模量片材，補強效果更顯著。
2.抗剪補強
通常是在梁靠近端部主拉應力較大的區蜮和有次梁或較大集中載荷作用的部位。補強時在梁的兩側面豎向粘貼，或與梁底形成U形環包。相當于增加抗剪箍筋以分擔原箍筋的剪力。
3.抗疲勞補強
工業廠房吊車梁、橋梁及橋面板，都可以粘貼炭纖維片以提高結構的疲勞抗力。橋面板上下同時粘貼效果更好。
㈡柱、墩補強
對橋墩、高架柱、建筑物獨立柱和有翼柱，都可有效補強。
1.中心受壓柱的抗壓補強，用炭纖維在柱中部橫向環包向束縛作用，能提高抗壓能力， 降低柱的壓屈系數。
2.偏心受壓柱，在柱受拉彎的側面沿柱軸縱向粘貼，可有效補強。
3.抗震性能補強，在地震或臺風的橫向力作用下柱端彎矩和剪力都很大，可以縱向粘貼和環包同時進行。既提高柱、墩橫向抗力，又改善能量吸收性能，提高結構的延性，使結構抗側向力能力顯著提高。
對于建筑框架結構和與帽梁剛結的橋梁墩柱，高架柱，可以在柱的上下端同時補強，個別上端橫向約束較弱者，則可只考慮下端的補強。
㈢剪力墻補強，在剪力墻單面或雙面沿抗剪配筋方向粘貼炭纖維片。
㈣高聳結構，如煙囪、水塔、筒倉、高桿燈架等，受力情況與墩柱類似，補強方法也類同。
㈤環形受力結構，如水池、罐體的抗張力側壁，可在單側和雙側纏繞粘貼。
㈥涵洞、隧道及襯砌，由于環向壓力不均造成橫截面各方位應力異常而產生縱向受拉裂縫，甚至襯砌剝落，以及由于地基沉降不均造成的縱向錯位，都可采取混凝土局部填補、置換和炭纖維片補強聯合應用的辦法。
㈦封閉和防護功能，用炭纖維片粘貼可以將結構裂縫密閉。較寬較深的裂縫還可在貼片前用環氧樹脂灌縫進行密閉，從而控制裂縫的進一步擴展，阻止水分滲入引起鋼筋銹蝕，同時還具有增強抗腐蝕性能的作用。這就是在結構補強的同時，也帶來了封閉和防護的副效應。相反，有些雖出現破損但承載力尚未降低的結構，也可以封閉和防護維修為主效應，同時也有結構補強的副效應。
上述各種補強，以橋梁和一般建筑物的梁板結構補強占大部分，橋梁墩柱的抗震補強次之，其他結構補強只占很少部分。但它們在國外都已得到廣泛應用，研究和使用考驗。日本各種補強技術已有由建設省或各種團體編制的設計、施工規范。對于在國外業已成熟的炭纖維補強技術，我們也已成功掌握并積累了實際應用的豐富經驗，相信它將在新世紀發揮威力。
三、炭纖維補強技術的優越性
綜上所述，我們將炭纖維補強技術的特點和優越性歸納如下：
㈠優異的力學性能，可有效應用于多種形式的結構補強，包括抗彎，抗剪、抗壓、抗疲勞，抗震、抗風?？刂屏芽p和撓度的擴展、增加結構的延性。
㈡優異化學穩定性，使經過補強和維修的結構具有極強的抗酸、堿、鹽，紫外線侵蝕和防水能力：具有足夠的適應氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后有效地防火。可以大大增強結構對惡劣外部環境的適應能力，延長結構壽命，這是包鋼方法不可比擬的。
㈢材料的輕質高強，可以不增加結構體積，所增加的結構自重幾乎可以忽略。這是傳統方法做不到的。
㈣施工工序簡單，可用小型電動工具操作，不像傳統補強方法需要眾多工種，大量勞動力。大型施工設備及吊裝機械。因而可以在傳統技術無法施工的有限作業空間內實施。而且進度快、工期短，更能在持續交通有振動的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停止運營或斷路施工的時間，極大地降低經濟損失和社會影響。
㈤由于材料柔軟，易于隨結構外形粘貼，補強后不改變結構外形，同時便于用所需色彩涂裝，而不顯露補強痕跡。
隨著炭纖維補強技術的優越性在工程得到普遍認同，這項技術的應用將會愈來愈廣泛。隨著有關科研的開展，工程實踐經驗的積累，新應用領域的進一步探索與開拓，這項技術將更加成熟，更加完善。我們辰日株式會社希望與各位同行開展更有效而廣泛的合作，眾志成城，這項技術的應用必將呈現出更加廣闊的前景。
幾年來，國內的很多公司、高等院校和科研單位也都在積極地推進這一新技術的應用，經過消化吸收，這項技術在許多省市多項工程中得以成功應用。隨著2O03年4月炭纖維補強的標準(GB)的計劃出臺，很明顯它必將遵循市場規律，使我國混凝土結構補強技術迅速上一個臺階。但為什么炭纖維補強技術會形成結構補強技術的新趨勢?它的基本原理和方法是怎樣的?我們必須從傳統補強方法說起。
一、混凝土結構的損壞及傳統補強方法
已建混凝土結構損壞的原因很多，大致有以下幾方面：
?設計不周，施工缺陷：這類問題本應避免，但無法杜絕。因層出不窮，有的很嚴重；
?年久老化：建國以來和改革開放以來大規模建設的工程正分批陸續接近壽命期，甚至超期服役；
?腐蝕：受酸、堿、鹽侵害，風化，水的滲透，凍融損壞；
?意外災害：地震、臺風、凌汛、人為撞擊、火災等損壞；
?超載。
以上原因直接導致混凝土粉化，疏松、剝落、開裂和鋼筋銹蝕。使結構物裂縫擴展、剛度降低，撓度增大、承載力削弱甚至喪失。以至結構物涉險服役，嚴重的不堪再用。因此，新世紀開始，我國將出現結構修復補強的浪潮，甚至會持續相當長時間。
過去常使用的傳統補強方法，主要有加大截面法，體外預應力法和外包鋼板法幾種。加大截面法又名外包混凝土法。主要是將截面加寬、加厚、加高，以容納新增鋼筋。此法很有效，但增加結構體積和自重，造成肥梁胖柱、施工工序繁多、用工多、施工期長，且要用大型機械，還必須有很大施工空間；體外預應力法是在梁下加受拉弦桿，和立柱一起形成反拱架，補強效果好但也有上述各種缺點，特別是結構高度增大很多；外包鋼板法又稱粘鋼法，除上述缺陷外。難于緊貼原結構表面，且不耐腐蝕，必須定期防銹。因此，傳統補強方法的應用場合受到種種限制，甚至某些條件下無法采用。
二、炭纖維補強的方法
炭纖維補強的基本材料是將高強度或高彈性模量的連續炭纖維，單向排列成束，用環氧樹脂漫漬形成為炭纖維補強復合材料片材忙Carbon Fiber Reinforced Plastics或Polymer簡稱CFRP)。將片材用專門配制的環氧樹脂貼在結構受拉面樹脂固化后與原結構形成新的受力復合體，炭纖維片即可與鋼筋共同受力。由于炭纖維片分擔了荷載，就降低了鋼筋的應力，而使結構得到加固補強。
高強度炭纖維片的抗拉強度可達3400N／mm2。比鋼材高7～10倍。因此，有很好的與鋼筋共同工作的性能。由于采用了不同配比、性能各異的環氧樹脂料，可以使界面樹脂滲入混凝土中，片材緊隨構件外形粘貼，粘貼用的樹脂料又具有較高粘結強度，能有效傳遞炭纖維片與混凝土兩種材料間的應力，保證不產生界面的粘結剝離。
㈠梁、板結構補強
各種類型公路、鐵路橋梁、橋板和建筑物的梁、板都可應用。
1.抗彎補強
炭纖維片貼在受拉一側，即跨中的下部和連續板、連續梁、懸臂板、梁支座的上部，沿受力筋方向粘貼。
由于炭纖維片彈性模量比鋼筋稍大，受力時延伸率小于鋼筋，故在結構受力時先行受力，隨載荷逐漸增加達到兩者變形協調時，兩者共同受力并按一定比例分配。往往在補強前或因原有鋼筋銹蝕造成截面積不足，或因超載原有鋼筋應力過大，補強后炭纖維分擔了拉力， 使鋼筋應力大大降低，結構承載力得以提高。
抗彎補強時，可以根據受力需要貼一層至多層，還可應用高彈性模量片材，補強效果更顯著。
2.抗剪補強
通常是在梁靠近端部主拉應力較大的區蜮和有次梁或較大集中載荷作用的部位。補強時在梁的兩側面豎向粘貼，或與梁底形成U形環包。相當于增加抗剪箍筋以分擔原箍筋的剪力。
3.抗疲勞補強
工業廠房吊車梁、橋梁及橋面板，都可以粘貼炭纖維片以提高結構的疲勞抗力。橋面板上下同時粘貼效果更好。
㈡柱、墩補強
對橋墩、高架柱、建筑物獨立柱和有翼柱，都可有效補強。
1.中心受壓柱的抗壓補強，用炭纖維在柱中部橫向環包向束縛作用，能提高抗壓能力， 降低柱的壓屈系數。
2.偏心受壓柱，在柱受拉彎的側面沿柱軸縱向粘貼，可有效補強。
3.抗震性能補強，在地震或臺風的橫向力作用下柱端彎矩和剪力都很大，可以縱向粘貼和環包同時進行。既提高柱、墩橫向抗力，又改善能量吸收性能，提高結構的延性，使結構抗側向力能力顯著提高。
對于建筑框架結構和與帽梁剛結的橋梁墩柱，高架柱，可以在柱的上下端同時補強，個別上端橫向約束較弱者，則可只考慮下端的補強。
㈢剪力墻補強，在剪力墻單面或雙面沿抗剪配筋方向粘貼炭纖維片。
㈣高聳結構，如煙囪、水塔、筒倉、高桿燈架等，受力情況與墩柱類似，補強方法也類同。
㈤環形受力結構，如水池、罐體的抗張力側壁，可在單側和雙側纏繞粘貼。
㈥涵洞、隧道及襯砌，由于環向壓力不均造成橫截面各方位應力異常而產生縱向受拉裂縫，甚至襯砌剝落，以及由于地基沉降不均造成的縱向錯位，都可采取混凝土局部填補、置換和炭纖維片補強聯合應用的辦法。
㈦封閉和防護功能，用炭纖維片粘貼可以將結構裂縫密閉。較寬較深的裂縫還可在貼片前用環氧樹脂灌縫進行密閉，從而控制裂縫的進一步擴展，阻止水分滲入引起鋼筋銹蝕，同時還具有增強抗腐蝕性能的作用。這就是在結構補強的同時，也帶來了封閉和防護的副效應。相反，有些雖出現破損但承載力尚未降低的結構，也可以封閉和防護維修為主效應，同時也有結構補強的副效應。
上述各種補強，以橋梁和一般建筑物的梁板結構補強占大部分，橋梁墩柱的抗震補強次之，其他結構補強只占很少部分。但它們在國外都已得到廣泛應用，研究和使用考驗。日本各種補強技術已有由建設省或各種團體編制的設計、施工規范。對于在國外業已成熟的炭纖維補強技術，我們也已成功掌握并積累了實際應用的豐富經驗，相信它將在新世紀發揮威力。
三、炭纖維補強技術的優越性
綜上所述，我們將炭纖維補強技術的特點和優越性歸納如下：
㈠優異的力學性能，可有效應用于多種形式的結構補強，包括抗彎，抗剪、抗壓、抗疲勞，抗震、抗風?？刂屏芽p和撓度的擴展、增加結構的延性。
㈡優異化學穩定性，使經過補強和維修的結構具有極強的抗酸、堿、鹽，紫外線侵蝕和防水能力：具有足夠的適應氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后有效地防火。可以大大增強結構對惡劣外部環境的適應能力，延長結構壽命，這是包鋼方法不可比擬的。
㈢材料的輕質高強，可以不增加結構體積，所增加的結構自重幾乎可以忽略。這是傳統方法做不到的。
㈣施工工序簡單，可用小型電動工具操作，不像傳統補強方法需要眾多工種，大量勞動力。大型施工設備及吊裝機械。因而可以在傳統技術無法施工的有限作業空間內實施。而且進度快、工期短，更能在持續交通有振動的情況下操作。從而大大縮短工程停工、停止運營或斷路施工的時間，極大地降低經濟損失和社會影響。
㈤由于材料柔軟，易于隨結構外形粘貼，補強后不改變結構外形，同時便于用所需色彩涂裝，而不顯露補強痕跡。
隨著炭纖維補強技術的優越性在工程得到普遍認同，這項技術的應用將會愈來愈廣泛。隨著有關科研的開展，工程實踐經驗的積累，新應用領域的進一步探索與開拓，這項技術將更加成熟，更加完善。我們辰日株式會社希望與各位同行開展更有效而廣泛的合作，眾志成城，這項技術的應用必將呈現出更加廣闊的前景。
