土木工程中碳纖維復合材料的運用研究

葛 自 力

（河南金苑置業有限公司， 河南 鄭州 450007）

土木工程中碳纖維復合材料的運用研究

葛 自 力

（河南金苑置業有限公司， 河南 鄭州 450007）

碳纖維復合材料是隨著纖維增強材料的一個重要組成部分，碳纖維復合材料對于結構補強加固十分有效，其施工質量高，施工效率高，加固效果和綜合效益好，具有輕質高強、可設計性強的特點。因此，對碳纖維復合材料的研究和探索,一直是土木工程中關注的重點內容。

土木工程；碳纖維；復合材料；運用

近幾年隨著我國基礎投資規模增大和房地產開發的飛速發展，我國的土木工程建設規模和數量進一步增加，傳統的鋼筋混凝土結構得到大量的應用，混凝土是我國目前用量最大的人造材料，也是最重要的建筑材料之一。隨著時間的推移，人們發現混凝土并不是永固的，自澆灌成型開始，由于受到外部環境溫度、濕度、混凝土碳化、空氣中氯離子等影響，混凝土中的鋼筋就會受到多方面的腐蝕破壞，主要有碳化、堿-集料反應、凍害和鹽害，使鋼筋受腐蝕損害，剛度、強度減弱，造成鋼筋混凝土結構耐久性的降低。目前，鋼筋銹蝕引起混凝土結構耐久性降低是土木工程中存在的主要問題，為了保持和增加混凝土的耐久性，混凝土后期保養維護成本巨大，因此如何維持現有混凝土結構的耐久性和發現在的材料替代鋼筋混凝土結構是目前土木工程的研究熱點之一，隨著相關學科的發展，各種型材料出現在土木工程中來，目前碳纖維復合材料在一些特使的工程中逐漸取代了傳統的鋼筋混凝土結構，實踐中也取得了一定的應用成果，因此本研究在前人研究的基礎上對碳纖維復合材料在土木工程中的運用情況進行研究分析，為進一步使用碳纖維復合材料提供理論和是實踐指導。

1 研究現狀

1.1 碳纖維概念及成分

碳纖維復合材料（CFRP）是纖維增強復合材料的一種，在具有纖維增強復合材料特性的基礎上還有自己帶的特征，目前研究理論表明，碳纖維的外在特征隨著含碳量隨種類不同而存在一定差異，但是作為碳纖維復合材料，除了具有本身的特點之外，一般具有耐高溫、導電、導熱、耐腐蝕等，但碳纖維復合材料與一般碳素材料不同的是，碳纖維復合材料外形有顯著的各向異性，可根據工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現出很高的強度。土木工程方面碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重輕，抗拉強度大，研究認為抗拉強度是鋼的7～9倍，因此碳纖維復合材料（CFRP）是土木工程中能提供特殊幫助的高效建材之一。

1.2 國內外研究現狀

國外對碳纖維復合材料的研究起步比較早。結合研究需要成立了相應的碳纖維復合材料研究協會，制訂了相應的測量標準、實施規范、檢測標準、施工規程等，制訂了研究發展方向，加大經碳纖維復合材料再實際中的應用研究，經過多年的研究，目前國外發達國家已經有較為成熟的碳纖維復合材料理論、研究體系和研究成果，并且通過實驗性應用獲得了第一手資料，通過大量實驗已經有了一定的應用實例。目前由于碳纖維復合材料特有的可根據工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現出很高的強度的特點，因此碳纖維復合材料大量應用在房屋建筑工程的加固工程中、橋梁工程等的加固、維修和保養上。從研究現狀來看，我國對碳纖維復合材料的研究起步比較晚，缺少系統化、本土化的研究體系，主要理論和研究標準、方法借鑒先進國家的研究成果，缺少實際使用經驗的搜集和整理，施工規范上過于依賴國外成熟經驗，缺少本土化的實踐經驗和研究體系，研究方向主要集中碳纖維增強聚合物片材加固和修復鋼筋混凝土結構，而且應用也比較成熟。例如采用碳纖維增強聚合物片材對上海財經大學24 m跨度的木結構進行加固，采用碳纖維布對天安門城樓上的大型木柱進行加固[1]；等等。單麗萍《碳纖維布在建筑結構加固中的施工措施淺析》（民營科技2012.8）研究指出，碳纖維增強聚合物加固技術是一種新型高效的土木工程加固修復技術，具有質量輕、強度高強、施工簡單等優點。并對碳纖維布在加固和維護建筑結構中的施工措施進行分析，之處隨著對新材料碳纖維 (CFRP)的研究的深入，用CFRP取代鋼板作為外貼對建筑物進行加固是一種必然趨勢。并現針對碳纖維加固的原理、依據、前提進行了探討，并對施工工藝進行了簡要的論述。張勇《CFRP加固混凝土梁的凍融試驗研究》（河北建筑工程學院學報2012.1），碳纖維(CFRP)雖然在加固工程中已得到廣泛應用，但其長期的加固性能尚未得到證實。尤其在我國北方較寒冷地區，因此研究凍融循環對碳纖維加固的混凝土構件的影響。試驗研究顯示碳纖維基本能夠滿足寒冷地區的加固要求。舒亞《碼頭改造工程中碳纖維加固技術的運用》（水利建設與管理2014.3）一文中研究指出：伴隨著材料研究的深入，混凝土結構的加固技術也日益提高，結合工程實例，闡述在碼頭改造工程中如何將碳纖維加固技術運用到水工結構物的主要受力構件，為碼頭水工結構物的加固修復帶來新的舉措，保障了碼頭水工建筑物的安全。整體上來說，碳纖維復合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土結構的修復和加固上，相信隨著研究的深入，碳纖維加固技術在土木工程結構的運用日益廣泛。

1.3 最新研究進展和趨勢

日本開發研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維聚合卷管。研究發現這種聚合卷管具有高效的結構體系，在實際應用中可以獲得特殊的建筑效果[1]。

也有學者提出利用碳纖維優良的導電性，通過相應手段監測碳纖維復合材料加固部位導電性能的變化情況，實現對對土木建筑物或橋梁等的無創口健康監測和診斷，而目前利用碳纖維優良的導電性，實現對建筑結構的實時監測應用研究不多，鄭立霞《局部疊層碳纖維水泥基材料的應變電阻效應研究》（四川大學學報(工程科學版) 2011.2）研究指出利用不同將碳纖維所具有的特有的導電特性，將不同碳纖維取代鋼筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成為具有自診斷功能特性的智能混凝土。利用這些功能特性可望實現土木工程結構和基礎設施的健康監測。并通過實驗研究局部疊層碳纖維取代鋼筋形成的三點彎曲梁在單調和循環拉應力作用下電阻的變化規律，分析了局部疊層碳纖維水泥基材料的應變-電阻效應，在此基礎上進行橫向對比，實驗結果表明，局部疊層碳纖維水泥基材料的應變靈敏系數是連續碳纖維水泥基材料應變靈敏系數的近23倍，但穩定性要差一些；局部疊層碳纖維水泥基材料的電阻和拉伸應變成正比例，因此利用這一特性把可望把局部疊層碳纖維用于土木工程，便于實現在結構和基礎設施的健康監測。

2 碳纖維復合材料在構件承載力不足的情況下的應用

雖然在土木工程施工過程中在施工階段，從上到下有嚴格的施工規范和要求，但是實際過程中卻常常存在由于施工管理不嚴、施工人員能力缺陷、致使施工質量不能達到要求，特別是混凝土構件承載力不足導致在建工程或建成工程使用時在安全隱患，存在一定的潛在質量風險，可能導致傷害事故的發生，在這種情況下，如何在不拆除現有混凝土結構的條件下對混凝土構件進行范圍內的加固和修復是要解決的問題，使用碳纖維復合材料為主要原料的纖維增強聚合布進行加固，可以在不毀壞現有結構的基礎上，使混凝土結構得到理想的增補效果。加上纖維增強聚合布施工過程中無需任何重型機械，施工空間不受限制的優點，因此在維護和加固現有建筑中得到大量應用。

2.1 碳纖維復合材料在民用建筑加固方面的應用

由于碳纖維增強聚合布的材料性能的特點，碳纖維增強聚合布大量應用在民用建筑中，如梁、板、柱、頂、梁腹裂縫發展過大的構件加固中。碳纖維增強聚合布加固可有效控制裂縫的發展。在使用碳纖維復合材料對不同部位進行加固時，操作手段、方法有一定差異。目前通常使用碳纖維布對鋼筋混凝土裂縫等進行加固時首先選取合適粘合劑，以免造成粘合不緊密，加固效果差，在此基礎上注意粘貼在混凝土裂縫處。在對鋼筋混凝土抗彎構件進行加固時，通常采用特殊粘合劑將碳纖維布粘貼于混凝土構件強力受拉區，通過碳纖維布增加受拉區域強度，實現碳纖維布分擔工程結構中混凝土鋼筋的承受拉力，提高混凝土構件的抗彎承載力和受拉承載力。碳纖維復合材料加固損傷的受彎構件時，結果表明，通過碳纖維布的加固，檢驗結果顯示，加固部位剛度恢復非常顯著，加固部位強度和加固量、損傷程度具有一定關系，通過加固，兩者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纖維復合材料進行抗剪力加固時，一般要求將碳纖維復合材料粘貼于加固構件的受剪力區，力求形成整體的拉力，促使碳纖維復合材料的作用類似于箍筋，從而形成一定的加固力量，有效控制混凝土結構裂縫的進一步發展。目前研究結果表明，理論上推算碳纖維復合材料的隨著外界條件變化應變發展比較緩慢，在實踐中用于加固混凝土構件時，碳纖維復合材料達到的最大應變值比較小。在加固混凝土構件屈服后，碳纖維復合材料逐漸取代混凝土構件箍筋的作用逐，從而有效提高構件抗剪承載力，碳纖維復合材料對工程質量提高程度與加固方式、加固量、帶間距及粘貼層數密切相關。因此實踐中使用碳纖維復合材料對一定的混凝土結構進行維修和加固時，要區別對待，不同位置、強度的部件進行加強所需粘貼量不同，過多過少都不利于加固效果的最優化，如粘貼過量碳纖維增強聚合布，可能會導致不能充分的發揮碳纖維增強聚合布的優勢。由于碳纖維增強聚合布的可設計性的優勢它與所加固構建之間粘貼比較緊密，可以在不改變現有建筑外觀形狀的基礎上進行整體加固，因此在一些對整體構件加固質量要求比較高，碳纖維聚合布在得到大量應用，如對歷史建筑的搶救、保護和維護和原有建筑，同時構件的整體抗震性能得到提高。

2.2 橋梁建設加固方面碳纖維復合材料的應用

由于碳纖維復合材料的使用特點，碳纖維增強聚合布可以應用在橋梁加固方面。如磨損、裂縫、局部塌陷的橋面，可以在保持現有混凝土構件的情況下，通過適當修補后加貼碳纖維增強聚合布，從而提高橋面堅固程度和增加使用壽命，如一般采用將碳纖維增強聚合布粘貼于橋面板下面，在提高橋面整體平整的基礎上可以增強橋面板的抗彎及抗剪能力，延長橋梁使用壽命，目前碳纖維復合材料在橋梁建設方面的用途主要有兩類，現有橋梁的加固方面和新橋梁的建設使用。在橋梁加固方面碳纖維復合材料主要用于混凝土橋梁的基本構件、節點、裂縫受彎構件、抗彎構件等的加固，加固的目的主要是提高橋梁的面板、構件的抗彎、受彎、抗剪、軸向抗壓承載力等，橋梁建設加固方面碳纖維復合材料的應用在國外應用廣泛，我國在這方面的工程實踐是在引進吸收國外先進經驗的基礎上，結合我國橋梁工程和新材料發展狀況，2003年7月對1971年建成的“寶成橋”進行了加固維修。提高了大橋承載強度，同時對大橋基本構件提供了抗裂防腐的保護作用[2-5]。但是碳纖維增強聚合布加固混凝土橋柱、橋梁時，應注意原有混凝土構件橫向膨脹性能促使外包碳纖維增強聚合布的局部環向剛度增大，導致混凝土原有構件的脆性破壞，因此在應用碳纖維增強聚合布維修橋梁加固混凝土柱時要注意完全粘貼整個構件。

3 結論和建議

碳纖維復合材料是隨著纖維增強材料的研究而出現的一種新型建筑材料，我國對碳纖維復合材料的研究起步較晚，但是發展比較快，目前碳纖維復合材料大量使用在我國民用建筑和橋梁建設中，主要用于對現有建筑的加固，因為碳纖維增強復合材料具有質量輕、強度大、設計性強的特點，因此被大量使用于可以應用于砌體、混凝土結構等的加固維護，取得了較好的效果。

［1］高娜.纖維增強復合材料在土木工程中的應用[D]. 西安工業大學碩士論文, 2012-04.

［2］金春花. CFRP加固土木工程結構的現狀及分析[J]. 科技信息2012(13)：30.

［3］單麗萍.碳纖維布在建筑結構加固中的施工措施淺析[J].民營科技,2012(8)：292.

［4］舒亞.碼頭改造工程中碳纖維加固技術的運用[J].水利建設與管理,2014(3)：15-17.

［5］張亞坤.纖維增強塑料筋混凝土板的變形研究[J].長江科學院院報，2013，30（9）：106-109;19(1)：66-72．

Application of Carbon Fiber Composites in Civil Engineering

GE Zi-li
（Henan Jinyuan Real Estate Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450007，China）

The carbon fiber composite material is as an important part of fiber reinforced materials, it is effective for structure reinforcement, its construction quality and construction efficiency are high, the reinforcement effect and comprehensive benefit are good, and the carbon fiber composite material has the characteristics of light weight, high strength and strong designability. Therefore, research and exploration of the carbon fiber composite material has been the main focus in civil engineering.

Civil engineering; Carbon fiber; Composite materials; Using

TQ 327

A

1671-0460（2015）01-0117-03

2014-05-28

葛自力(1964-), 男, 河南鄭州人, 高級工程師, 1987年畢業于河北煤炭建筑工程學院, 研究方向：從事建筑工程管理、工程建設技術施工管理等工作。