碳纖維復合材料在基礎設施和土木建筑中的應用分析

【摘 要】隨著我國社會經濟發展，土木建筑工程規模及數量不斷增加，碳纖維復合材料作為一種新型的材料，由于具有密度低、強度大、耐高溫及耐腐蝕等優點，已經在土木建筑及基礎設施工程里得到了較為廣泛的應用，本文就碳纖維復合材料在基礎設施及土木建筑里的應用進行了分析。

【關鍵詞】碳纖維復合材料CFRP；基礎設施；土木建筑；應用

碳纖維復合材料可簡稱為CFRP，具有高強、輕質、耐輻射及耐紫外線等優點，CFRP由于比其他復合材料更占據優勢，獲得較好的發展及應用，其最初僅應用在軍事、航天及船舶工程里，隨著應用范圍不斷擴大，也被廣泛應用在了基礎設施及土木建筑工程的建設當中，CFRP在我國土木建筑及基礎設施方面研究及應用是比較晚的，大約在1996年左右才開始的，現在研究及應用大多集中在片材加固及混凝土修復方面，并且在這方面的理論及技術上已經比較成熟。

一、CFRP材料在土木建筑及基礎設施里的特點

CFRP材料在基礎設施及土木建筑的應用主要具有下列特點，一是CFRP材料具有可設計性，當纖維復合材料或者CFRP作為結構材料進行應用的時候，因為是增強材料及基體材料組合，不僅能夠保持原來分材料一些特點，在組合之后，還能發揮組合之后的一些新特性，可依據結構的需要來設計，從而滿足單一材料所無法滿足的一些性能要求；二是CFRP具有高強度及輕質特點，其抗拉強度比較高，與普通鋼筋相比，順纖維方向的抗拉強度要大得多，當然其均勻性要比鋼材要稍微差一些，并且各向異性，使得抗剪及抗多軸向力的強度也要低一些，其質量非常的輕，密度僅是鋼材密度的1/5，在施工安裝的時候是比較方便的；三是抗疲勞性及耐腐蝕性能比較好，通常鋼筋等金屬疲勞強度是拉伸強度的50%左右，可纖維復合材料疲勞強度一般是拉伸強度70%以上，具有較好的抗疲勞功能，一般建筑材料，像鋼筋等是不耐腐蝕的，特別是在近海工程里，容易和周圍空氣、化學物質及海水等發生反應，讓基礎設施建設及土木建筑工程無法有效發揮出應有作用，造成較大損失，像CFRP等纖維復合材料具有比較好的耐腐蝕性能，用CFRP材料所制成設備及構件具有較好耐堿、酸及鹽等化學物質侵蝕；四是抗震性能及安全性能比較好，CFRP材料和原有建筑材料相比，自振頻率比較高，不會出現共振情況，并且在加載頻率及速度之下，基本上不會出現由于共振產生快速斷裂的情況，并且在纖維復合材料里，具有較多獨立纖維如果復合材料承載過量也不會馬上發生纖維斷裂，即使有少量的纖維斷裂，也會吧載荷重新分配到其他沒有被損壞纖維上面，從而防止基礎設施及土木建筑工程構件瞬間失去承載能力產生斷裂；五是具有較強美學欣賞可塑性，CFRP材料是比較柔軟的，產品形狀基本上不受限制，能夠任意著色，把結構形式及材料美學進行結合統一。

二、CFRP材料在基礎設施及土木建筑里的應用

1. CFRP能夠增強混凝土應用

在基礎設施及土木建筑里，混凝土均是不可缺少的應用材料，并且使用量非常大，通常使用鋼筋增加強度，可鋼筋自身一般具有容易受到酸堿作用的腐蝕，也會對混凝土造成一定破壞，這就需要尋找新型混凝土產品，在這種情形下，纖維混凝土應運而生，它是對混凝土創新，最早所使用的是玻璃纖維、鋼纖維及維綸來增強混凝土，現在一般是運用CFRP材料來增強混凝土。纖維材料自身具有模量、強度、斷裂長度及空間結構等決定了混凝土性能，運用CFRP材料能夠增強混凝土的拉伸強度、防裂性能及抗彎強度，能夠用作裝飾材料，也可以用作護墻板、墻板及主體建筑物等。原有混凝土結構具有劣化及腐蝕等問題，尤其是鋼材銹蝕是最常見的，并且還會發生安全事故，后來使用了鋼纖維，可鋼纖維具有成本高及容易腐蝕的問題，其應用是比較有限的，后來玻璃纖維拉伸強度要比鋼筋優越的多，并且重量也僅是鋼筋重量的1/4，受到海水及水泥侵蝕程度要遠比鋼筋低得多，可玻璃纖維具有容易折斷及不耐堿的特點，并且應用具有污染性，而碳纖維具有高強度、低密度及高硬度等特點，并且彈性模量及抗拉強度均比較高，還能導磁導電、耐高溫、耐磨損、耐惡劣環境且能和混凝土良好粘結，使得CFRP混凝土得到了較為廣泛應用，當然由于碳纖維具有導磁導電特點，有些建筑是不能應用的，像日本學者就運用纖維氈當作吸附電磁波功能的組分，進行輕質及防震功能幕墻，這種CFRP材料不僅能夠屏蔽電磁波，還能夠運用交通智能系統的應用，CFRP材料諸多優點使得它在土木建筑及基礎設施建設里備受青睞。

2. CFRP在結構補強材料里的應用

CFRP材料主要應用在基礎設施及土木建筑工程結構的補強材料里，原有補強材料主要是鋼板，具有自重大、易老化、耐腐蝕差及施工不方便等缺點，現在所應用補強材料一般是CFRP材料，一般比較適合鋼筋混凝土的結構變更、強度不足、存有裂縫及荷重增加等加固的修補工程里，和原有粘鋼板技術比較，這種CFRP加固技術具有高效高強、維護性能好、施工方便、質量高、適用廣及智能化等優點，其具體表現是CFRP本身具有輕質高強的特點，并且對原來結構影響不大情況下，能夠有效提高加固構件抗剪、抗彎及抗震等性能；而碳纖維的輕質柔性特點，能夠手工纏繞混凝土表面，不需要運用大型的機具，更不需要五十作業及焊接，并且噪聲和灰塵也很小；其防護及維護性能比較好是由于碳纖維具有較好的耐久性能及耐腐蝕性能，能夠抵抗各類堿鹽酸造成結構物腐蝕，并且運用這種加固技術處理之后，不用定期維護，自身就對混凝土內部起到保護作用；其片材柔軟的特點，能夠對各種結構及類型建筑物給予修補，以達到不用改變結構的形式及結構外觀效果情況下完成修補，適用面是非常廣的；并且還能夠實現智能化，CFRP片材做成的加固材料，能夠依據加固修復位置的導電性能情況，來安全檢查及診斷此部位的情況，像瑞士就運用這種復合材料，對跨長39m伊巴赫橋損壞的加固，讓其滿足了需要承載能力要求。

3. CFRP應用存在一些問題

CFRP在基礎設施及土木建筑工程里，得到了較為廣泛應用，可是依然存在一些問題，像CFRP在加固混凝土方面取得了較大成就，可在加固結構力學性能方面還不是很完善，數值計算及理論分析研究比較有限，對于加強混凝土破壞模式方面研究不是很深入，有關加強構建剛度、彎曲及剪切延性等給予了關注研究及應用，可綜合因素所造成加固材料數量、登記及施工工藝方面影響還是有些欠缺的。我國PAN碳纖維強度通常在2000-3000Mpa間，其彈性的模量為2100000Mpa上下，這個性能能夠滿足加固的要求，可預浸料生產及加工的成品質量還存在比較大的欠缺，使其材料國產化是個比較關鍵的問題，并且加固技術方面還缺少較為完善國內標準及規范制度，需要制定自己標準及相關施工指南，讓建筑工程開展更具有規范性及可依靠標準。

結束語：

隨著建筑工程規模及數量不斷增大，CFRP材料應用越來越廣泛，國外雖有較多碳纖維產品，可我國大規模開發及應用不能完全依賴進口，要想降低成本和發展民族工業，就需要加強CFRP材料的國產化，并且不斷加強CFRP材料研究及建筑工程應用，讓CFRP材料真正發揮自身優點，降低建筑工程成本，提高其經濟效益及社會效益。

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