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碳纖維布加固 “短命”問題分析

外貼碳纖維布加固技術(shù)是利用膠粘劑(常用環(huán)氧樹脂) 將碳纖維布在現(xiàn)場(chǎng)浸漬并粘貼至被加固結(jié)構(gòu)表面,，以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固技術(shù),。由于碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng),、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),，施工流程簡(jiǎn)單，逐漸成為主流加固技術(shù)之一,。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)粘貼碳纖維布

但是,，隨著該技術(shù)不斷實(shí)踐，在工程中發(fā)現(xiàn)部分加固年限較短( 5~10年) 的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)外貼碳纖維布斷裂或剝離等質(zhì)量問題,，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的加固后設(shè)計(jì)使用年限要求,，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。

圖2 碳纖維布粘結(jié)失效（鼓包,、褶皺）

碳纖維布加固提前失效,，出現(xiàn)“短命”問題的原因是什么？

碳纖維布加固技術(shù)是通過在被加固構(gòu)件表面粘貼碳纖維布以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有效加固的關(guān)鍵在于碳纖維布質(zhì)量,、碳纖維布與界面的可靠粘結(jié)。但在實(shí)際操作中,，要解決以上兩方面的問題并不容易,。

首先，選擇高質(zhì)量碳布難度較大,。

近年來受下游需求拉動(dòng),，我國(guó)碳纖維產(chǎn)能快速擴(kuò)張， 2021 年我國(guó)碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能 6.35 萬噸,，同比增長(zhǎng) 75.41%,， 占全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能的 30.5%， 產(chǎn)能規(guī)模全球第一,。2021 年我國(guó)碳纖維產(chǎn)量 2.43 萬噸,，同比增長(zhǎng) 31.35%， 產(chǎn)能利用率為 38.27%，產(chǎn)量增速不及產(chǎn)能增速,，主要系新增產(chǎn)能多在 2021年下半年或年底投產(chǎn),，正常生產(chǎn)時(shí)間不足所致，預(yù)計(jì)2022年這些產(chǎn)能將充分釋放,。這也就是說2022年碳纖維產(chǎn)量相較于2021年將有大幅增長(zhǎng),。

圖3 中國(guó)碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量及產(chǎn)能利用率

這是否意味著在2022年加固行業(yè)需求量沒有明顯增長(zhǎng)的情況下，碳纖維布這類產(chǎn)品將會(huì)受供求,、競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系影響,，出現(xiàn)品質(zhì)提升、價(jià)格下跌,。如果簡(jiǎn)單地這樣認(rèn)為,，可能有些過于“樂觀”。相反,，由于碳纖維產(chǎn)能大量釋放,，反而導(dǎo)致高質(zhì)量碳纖維布的比例會(huì)更低。

GB 50728-2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：對(duì)重要結(jié)構(gòu),，必須選用聚丙烯腈基（PAN基）12K或12K以下的小絲束纖維,，嚴(yán)禁使用大絲束纖維。其性能指標(biāo)需要符合GB 50728-2011表8.2.4,。

圖4 碳纖維復(fù)合材料安全性鑒定項(xiàng)目及合格指標(biāo)

根據(jù)GB 50728-2011表8.2.4中的要求，高強(qiáng)Ⅰ級(jí)碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值要達(dá)到3400MPa,，考慮到碳纖維在編制過程性能折損等問題,，要保證高強(qiáng)Ⅰ級(jí)碳纖維布性能穩(wěn)定且符合要求，建議選擇T700以上,、12K或12K以下小絲束PAN基碳纖維原絲,。

T700，指的是碳纖維的品級(jí),，通常以拉伸強(qiáng)度指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),。T700抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到4900MPa，目前也僅有12K小絲束碳纖維原絲可以達(dá)到T700,。

需要指出的是,，對(duì)重要結(jié)構(gòu)，必須選用聚丙烯腈基（PAN基）12K或12K以下的小絲束纖維,，嚴(yán)禁使用大絲束纖維,，主要原因是因?yàn)樾〗z束抗拉強(qiáng)度十分穩(wěn)定，離散性很小,，其變異系數(shù)均在5%以下,，且膠液容易浸潤(rùn)、滲透，故在生產(chǎn)和使用過程中,，均能對(duì)其性能和質(zhì)量進(jìn)行有效控制,；而大絲束則不然，其變異系數(shù)均在高達(dá)15~18%,，甚至更大,。

圖5 碳纖維絲束大小分類及應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)過長(zhǎng)期的技術(shù)積累，我國(guó)以吉林化纖,、中復(fù)神鷹,、寶旌、 新創(chuàng)碳谷,、恒神股份,、光威復(fù)材等為代表的國(guó)內(nèi)碳纖維龍頭企業(yè)正逐步打破國(guó)外技術(shù)壟斷， 產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)張,，但僅有部分企業(yè)能實(shí)現(xiàn) T700 級(jí),、 T800 級(jí)碳纖維的規(guī)模化生產(chǎn),，產(chǎn)品性能與國(guó)際龍頭比肩,；行業(yè)內(nèi)仍有不少企業(yè)沒有掌握碳纖維核心生產(chǎn)技術(shù)，存在工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性差,、成本高的問題,。

由此可見，符合高強(qiáng)Ⅰ級(jí)碳纖維布所需原絲要求的廠家并不多,。小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價(jià)格較高,，一般用于航天軍工等高科技領(lǐng)域，以及體育用品中產(chǎn)品附加值較高的產(chǎn)品類別,。大絲束產(chǎn)品性能相對(duì)較低但制備成本亦較低,，往往運(yùn)用于基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域。

隨著碳纖維產(chǎn)能的釋放,，將會(huì)出現(xiàn)采用價(jià)格較低的大絲束或者等級(jí)較低的碳纖維原絲替代小絲束碳纖維的情況,，致使碳纖維布的質(zhì)量魚龍混雜，進(jìn)而影響碳纖維加固的壽命,，因此,，通過正規(guī)渠道，選擇高品質(zhì),、質(zhì)量穩(wěn)定的碳纖維布,，是避免碳纖維布加固“短命”問題的有效措施之一。

其次,，影響碳纖維布與界面粘結(jié)性因素多且復(fù)雜,。

①配套膠粘劑的性能,。

即使碳纖維和膠粘劑兩種材料均滿足設(shè)計(jì)要求，碳纖維布加固系統(tǒng)的強(qiáng)度也未必能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,，因此GB50728-2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》8.1.4規(guī)定,，纖維復(fù)合材的安全性鑒定必須與所選用配套結(jié)構(gòu)膠同時(shí)進(jìn)行。配套膠粘劑與碳纖維布的匹配性直接影響碳纖維布加固系統(tǒng)性能,。

圖6 碳纖維布加固施工現(xiàn)場(chǎng)

此外,，配套膠粘劑（浸漬膠）混合后黏度也是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，若浸漬膠黏度過小,，可能從碳纖維布中析出,，若浸漬膠黏度過大，則不利于對(duì)碳纖維布充分浸透且易夾帶氣泡,。浸漬膠黏度對(duì)溫度比較敏感,，低溫時(shí)不利于對(duì)碳纖維有效浸潤(rùn)，影響加固效果,。

②纖維束受力均勻性,。

碳纖維布在施工現(xiàn)場(chǎng)通過樹脂浸漬并粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面，在形成的碳纖維片材易出現(xiàn)纖維彎曲的現(xiàn)象,。纖維彎曲導(dǎo)致纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受力過程中纖維束之間受力不均勻,，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低并出現(xiàn)較大離散性，因此碳纖維外貼施工過程中需要一定的預(yù)張力,。此外,，纖維彎曲還會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生較大蠕變變形。

③尺寸效應(yīng),。

隨著長(zhǎng)度,、寬度、厚度的增加,，碳纖維布性能將出現(xiàn)一定程度下降。長(zhǎng)度方向的尺寸效應(yīng)由沿縱向不均勻性氣泡造成,。研究表明,，10m長(zhǎng)碳纖維布的拉伸強(qiáng)度僅為材性試件的40%左右。此外,，寬度,、厚度增加，均會(huì)降低加固效果,。

因此,，應(yīng)用規(guī)范要求采用粘貼碳纖維布加固時(shí)，應(yīng)選擇多密布的方式進(jìn)行粘貼,，而不得使用未經(jīng)裁剪成條的整幅織物滿貼,，并控制纖維布的粘貼層數(shù),。

圖7 多密布式碳纖維布粘貼

   此外，碳纖維片材與混凝土界面的粘結(jié)性能受多種現(xiàn)場(chǎng)施工工序影響,，比如基面的處理,、環(huán)氧膠粘劑的剛度、基面平整度等多因素的影響,，比如基面平整度差,，致使碳纖維彎曲，產(chǎn)生垂直應(yīng)力,，導(dǎo)致碳纖維拔出,、斷裂等破壞。

內(nèi)容主要來源：

[1] 吳智深. 外貼碳纖維布加固橋梁結(jié)構(gòu)失效原因與對(duì)策分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù),，2022,19：1-14.

[2]《碳纖維深度報(bào)告：高壁壘,、高成長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)》2022.06.19.

[3]《建筑材料：風(fēng)電等新能源勢(shì)起,，碳纖維前景廣闊》2022.01.11.