谈碳纤维复合材料在土木建筑中的应用

摘 要：纤维增强塑料（F R P ）是土木工程应用的热点，而碳纤维（C F R P ）以其良好的物理力学性能使其应用最广泛、最成熟，本文对C F R P在土木工程中应用给以总结，并进一步指出目前存在的问题。

关键词：C F R P ；混凝土结构；加固

    纤维增强塑料包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等，这些复合材料一般具有耐腐蚀、耐紫外线、轻质、高强和非磁性等特点，作为工程材料在80 年代初其物理力学性能有了突破性的改善和提高。碳纤维材料由于性能优于其他复合材料而脱颖而出。C F R P 最初应用局限于航天、军事和船舶工程，后来范围逐步扩大到土木工程领域，加固修复混凝土结构是自80 年代末至90 年代初在初在欧美和日本等发达国家兴起的一项新技术，目前这项技术已成为土木工程领域研究的热点。除此之外，C F R P作为一种新的增强构件和结构体系正在研究和应用。

1 CFRP 增强塑料的优越使用性能

1 .1 碳纤维的特点及力学性能

    碳纤维是具有优越的物理力学性能的新材料，也是目前性能最好，用途最多的增强纤维。在土木工程结构补强中，使用较多的碳纤维增强塑料是碳纤维片材。目前，在我国应用最多的是日本生产的碳纤维片。这种碳纤维片有单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布等 。C F R P 增强塑料是指预浸料碳纤维（C F ），其性能指标包括在物理力学性能方面要求其抗拉强、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面主要要求其密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。碳纤维增强塑料的强度是普通建筑钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平上并略高，最大可达钢材的两倍左右，具有良好的耐久性和耐腐蚀性。

1.2 碳纤维的加固应用实例

    到目前为止，碳纤维片材在混凝土结构受弯构件的受弯加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和应用最多，相应计算理论也较为成熟。在受弯加固时，应使碳纤维片材的纤维方向与受拉区的拉应力方向一致，在受剪加固时，应使碳纤维片材的纤维方向与混凝土中主拉应力方向一致，但为了施工方便，可采用纤维方向与构件纵轴垂直的方法进行加固，抗震加固时，应使碳纤维布封闭缠绕在柱上，可以较好地提高抗震性能，除此以外，碳纤维片材也可沿构件轴向粘贴用于受拉构件的加固、沿环向粘贴用于轴心受压构件的加固，在受弯加固时，也可采用对碳纤维片材施加预应力的方法以提高加固效果，碳纤维片材也可用于剪力墙，以及壳体、筒仓、烟囱等特种结构的加固，这些加固方法经研究表明是有效的。

    应用实例：北海天海阁假日酒店改造工程，由两栋2 2 层的高层公寓和裙楼组成，因原设计为商住楼，现因开发需要改为度假式酒店工程，要求对地下室和裙楼部份的剪力墙进行开洞补强， 共开剪力墙洞口八个（2200 * 2200 ）均采用了碳纤维布加固补强的施工方法；另屋顶水箱间楼板因使用需要改为设备间，亦对楼板进行了加固，板面采用叠合加固法（板厚100mm ），板底采用碳纤维布加固的方法。实践证明加固效果是有效和良好的。

2 CFRP 增强塑料在土木工程中的应用现状

2. 1 国外应用现状

    将短切碳纤维加入新混凝土中，制成碳纤维混凝土用于新结构已有一定的工程应用；将碳纤维长丝制成棒材，在新混凝土中代替钢筋用于新建结构，主要用于海洋工程结构及需电磁波透过的工程结构；将碳纤维加工成束状或绳状，用于大型土木工程的拉索或悬索结构，该方面应用在锚具连接上尚未能很好地解决，仍有一定的应用；在新建结构中与混凝土一起做成预制混凝土板或大跨梁、架等，具有强度高，质量轻和耐腐蚀及耐久性等优点，已有部分工程应用；应用于各种公路路面工程中，可以极大地提高公路的质量及耐久性，已有较多的工程实例；将碳纤维做成布织物或织物，用于结构加固修补，有大量的工程应用，其技术已基本成熟。

2.2 国内应用现状

    CFRP 加固修补混凝土结构技术在我国起步较晚，但最近几年系统地对CFRP 用于加固修补混凝土结构技术的研究也呈现不断发展的趋势，最初仅有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心一个单位，相继有清华大学、同济大学、天津大学、东南大学、大连理工大学等十余家高等学校和科研设计单位尝试地进行过国产和进口碳纤维织物加固混凝土构件主要包括板、梁、柱等的模型实验、加固施工工艺及加固性能评价等方面的研究，已经取得了实质性成果，并在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到具体的应用，收到了良好的效果，现在部分单位着手从事纤维增强材料加固混凝土结构规范的研究。该课题已列入建设部研究开发课题及国家科技部“九五”重点攻关课题。目前这项工作还处于刚刚起步阶段。自1997年5月，国家工程中心已制作了一些试件，分为2 0余个工况，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。

3 目前存在的问题

3 .1力学研究方面存在的问题

    CFRP 加固混凝土结构的技术是得到国际上普遍认同的开发热点，其力学研究已经取得了很大的进展，然而，截至目前这方面工作还存在一些问题：

(1)尽管对加固结构的力学性能进行了一些试验研究，但是系统的理论分析和数值计算研究却很有限。而这对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的。

（2 ）CFRP 加强混凝土结构的破坏模式，如钢筋屈服－CFRP 断裂破坏、钢筋屈服－混凝土压碎、混凝土受压破坏和CFRP 板于混凝土面的黏结破坏等各类破坏特性，尚需深入研究。

（3）尽管对CFRP 加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺。

（4）有关疲劳和抗震性能的研究不足，这对于评价加固结构的综合性能，预测其二次寿命至关重要。

（5）CFRP 加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。

3. 2 尚待解决的技术关键

（1）材料的国产化问题。尽管国外已有多种定型的碳纤维材料产品，但国内的大规模开发应用不能完全依赖于进口产品，从降低成本及发展民族工业来讲，国产化是必须的条件，目前国内的P A N 基碳纤维强度一般在2000~3000Mpa 之间，弹性模量在2.1x10⁵Mpa左右，其性能基本满足加固要求，但在预浸料的生产和加工成品的质量方面仍有较大的欠缺，均匀性也较差。因此材料的国产化问题是一个关键问题。

（2）CFRP 加固修补使用的技术方面的问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国际上一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。

4 结语与展望

    CFRP 加固修复混凝土结构技术研究开发成功后，将会给土木建筑领域加固改造技术带来重大变革，采用碳纤维加固修复混凝土结构技术将比以往从传统的技术更优越、更有效率和更方便经济，可以解决传统的加固方法不能解决的技术问题，具有重大的经济和社会效益。CFRP 加固修复混凝土结构技术研究开发成功，将为碳纤维材料及其它高性能纤维材料应用于建筑业打下深厚的基础，开辟了新的产业途径。同时将会极大地带动我国碳纤维高技术领域的发展，促进行业技术进步，也为力学研究工作拓宽了领域，然而，新的加固结构体系集合了复合材料与钢筋混凝土的综合特点，要求力学工作者要与材料学家和结构工程师联合，探讨宏微观结合的结构力学和基于新体系的材料损伤破坏力学，建立新体系的评价标准，为制定加固结构的设计施工规范提供理论依据，以推动复合材料加固技术的发展与完善。