土木工程中碳纤维复合材料的运用研究

葛 自 力

（河南金苑置业有限公司， 河南 郑州 450007）

土木工程中碳纤维复合材料的运用研究

葛 自 力

（河南金苑置业有限公司， 河南 郑州 450007）

碳纤维复合材料是随着纤维增强材料的一个重要组成部分，碳纤维复合材料对于结构补强加固十分有效，其施工质量高，施工效率高，加固效果和综合效益好，具有轻质高强、可设计性强的特点。因此，对碳纤维复合材料的研究和探索,一直是土木工程中关注的重点内容。

土木工程；碳纤维；复合材料；运用

近几年随着我国基础投资规模增大和房地产开发的飞速发展，我国的土木工程建设规模和数量进一步增加，传统的钢筋混凝土结构得到大量的应用，混凝土是我国目前用量最大的人造材料，也是最重要的建筑材料之一。随着时间的推移，人们发现混凝土并不是永固的，自浇灌成型开始，由于受到外部环境温度、湿度、混凝土碳化、空气中氯离子等影响，混凝土中的钢筋就会受到多方面的腐蚀破坏，主要有碳化、碱-集料反应、冻害和盐害，使钢筋受腐蚀损害，刚度、强度减弱，造成钢筋混凝土结构耐久性的降低。目前，钢筋锈蚀引起混凝土结构耐久性降低是土木工程中存在的主要问题，为了保持和增加混凝土的耐久性，混凝土后期保养维护成本巨大，因此如何维持现有混凝土结构的耐久性和发现在的材料替代钢筋混凝土结构是目前土木工程的研究热点之一，随着相关学科的发展，各种型材料出现在土木工程中来，目前碳纤维复合材料在一些特使的工程中逐渐取代了传统的钢筋混凝土结构，实践中也取得了一定的应用成果，因此本研究在前人研究的基础上对碳纤维复合材料在土木工程中的运用情况进行研究分析，为进一步使用碳纤维复合材料提供理论和是实践指导。

1 研究现状

1.1 碳纤维概念及成分

碳纤维复合材料（CFRP）是纤维增强复合材料的一种，在具有纤维增强复合材料特性的基础上还有自己带的特征，目前研究理论表明，碳纤维的外在特征随着含碳量随种类不同而存在一定差异，但是作为碳纤维复合材料，除了具有本身的特点之外，一般具有耐高温、导电、导热、耐腐蚀等，但碳纤维复合材料与一般碳素材料不同的是，碳纤维复合材料外形有显著的各向异性，可根据工程需要加工成各种织物材料，满足工程需要，而且织物表现出很高的强度。土木工程方面碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重轻，抗拉强度大，研究认为抗拉强度是钢的7～9倍，因此碳纤维复合材料（CFRP）是土木工程中能提供特殊帮助的高效建材之一。

1.2 国内外研究现状

国外对碳纤维复合材料的研究起步比较早。结合研究需要成立了相应的碳纤维复合材料研究协会，制订了相应的测量标准、实施规范、检测标准、施工规程等，制订了研究发展方向，加大经碳纤维复合材料再实际中的应用研究，经过多年的研究，目前国外发达国家已经有较为成熟的碳纤维复合材料理论、研究体系和研究成果，并且通过实验性应用获得了第一手资料，通过大量实验已经有了一定的应用实例。目前由于碳纤维复合材料特有的可根据工程需要加工成各种织物材料，满足工程需要，而且织物表现出很高的强度的特点，因此碳纤维复合材料大量应用在房屋建筑工程的加固工程中、桥梁工程等的加固、维修和保养上。从研究现状来看，我国对碳纤维复合材料的研究起步比较晚，缺少系统化、本土化的研究体系，主要理论和研究标准、方法借鉴先进国家的研究成果，缺少实际使用经验的搜集和整理，施工规范上过于依赖国外成熟经验，缺少本土化的实践经验和研究体系，研究方向主要集中碳纤维增强聚合物片材加固和修复钢筋混凝土结构，而且应用也比较成熟。例如采用碳纤维增强聚合物片材对上海财经大学24 m跨度的木结构进行加固，采用碳纤维布对天安门城楼上的大型木柱进行加固[1]；等等。单丽萍《碳纤维布在建筑结构加固中的施工措施浅析》（民营科技2012.8）研究指出，碳纤维增强聚合物加固技术是一种新型高效的土木工程加固修复技术，具有质量轻、强度高强、施工简单等优点。并对碳纤维布在加固和维护建筑结构中的施工措施进行分析，之处随着对新材料碳纤维 (CFRP)的研究的深入，用CFRP取代钢板作为外贴对建筑物进行加固是一种必然趋势。并现针对碳纤维加固的原理、依据、前提进行了探讨，并对施工工艺进行了简要的论述。张勇《CFRP加固混凝土梁的冻融试验研究》（河北建筑工程学院学报2012.1），碳纤维(CFRP)虽然在加固工程中已得到广泛应用，但其长期的加固性能尚未得到证实。尤其在我国北方较寒冷地区，因此研究冻融循环对碳纤维加固的混凝土构件的影响。试验研究显示碳纤维基本能够满足寒冷地区的加固要求。舒亚《码头改造工程中碳纤维加固技术的运用》（水利建设与管理2014.3）一文中研究指出：伴随着材料研究的深入，混凝土结构的加固技术也日益提高，结合工程实例，阐述在码头改造工程中如何将碳纤维加固技术运用到水工结构物的主要受力构件，为码头水工结构物的加固修复带来新的举措，保障了码头水工建筑物的安全。整体上来说，碳纤维复合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土结构的修复和加固上，相信随着研究的深入，碳纤维加固技术在土木工程结构的运用日益广泛。

1.3 最新研究进展和趋势

日本开发研制成功一种带有铝合金接头碳纤维聚合卷管。研究发现这种聚合卷管具有高效的结构体系，在实际应用中可以获得特殊的建筑效果[1]。

也有学者提出利用碳纤维优良的导电性，通过相应手段监测碳纤维复合材料加固部位导电性能的变化情况，实现对对土木建筑物或桥梁等的无创口健康监测和诊断，而目前利用碳纤维优良的导电性，实现对建筑结构的实时监测应用研究不多，郑立霞《局部叠层碳纤维水泥基材料的应变电阻效应研究》（四川大学学报(工程科学版) 2011.2）研究指出利用不同将碳纤维所具有的特有的导电特性，将不同碳纤维取代钢筋加入普通混凝土中，普通混凝土便成为具有自诊断功能特性的智能混凝土。利用这些功能特性可望实现土木工程结构和基础设施的健康监测。并通过实验研究局部叠层碳纤维取代钢筋形成的三点弯曲梁在单调和循环拉应力作用下电阻的变化规律，分析了局部叠层碳纤维水泥基材料的应变-电阻效应，在此基础上进行横向对比，实验结果表明，局部叠层碳纤维水泥基材料的应变灵敏系数是连续碳纤维水泥基材料应变灵敏系数的近23倍，但稳定性要差一些；局部叠层碳纤维水泥基材料的电阻和拉伸应变成正比例，因此利用这一特性把可望把局部叠层碳纤维用于土木工程，便于实现在结构和基础设施的健康监测。

2 碳纤维复合材料在构件承载力不足的情况下的应用

虽然在土木工程施工过程中在施工阶段，从上到下有严格的施工规范和要求，但是实际过程中却常常存在由于施工管理不严、施工人员能力缺陷、致使施工质量不能达到要求，特别是混凝土构件承载力不足导致在建工程或建成工程使用时在安全隐患，存在一定的潜在质量风险，可能导致伤害事故的发生，在这种情况下，如何在不拆除现有混凝土结构的条件下对混凝土构件进行范围内的加固和修复是要解决的问题，使用碳纤维复合材料为主要原料的纤维增强聚合布进行加固，可以在不毁坏现有结构的基础上，使混凝土结构得到理想的增补效果。加上纤维增强聚合布施工过程中无需任何重型机械，施工空间不受限制的优点，因此在维护和加固现有建筑中得到大量应用。

2.1 碳纤维复合材料在民用建筑加固方面的应用

由于碳纤维增强聚合布的材料性能的特点，碳纤维增强聚合布大量应用在民用建筑中，如梁、板、柱、顶、梁腹裂缝发展过大的构件加固中。碳纤维增强聚合布加固可有效控制裂缝的发展。在使用碳纤维复合材料对不同部位进行加固时，操作手段、方法有一定差异。目前通常使用碳纤维布对钢筋混凝土裂缝等进行加固时首先选取合适粘合剂，以免造成粘合不紧密，加固效果差，在此基础上注意粘贴在混凝土裂缝处。在对钢筋混凝土抗弯构件进行加固时，通常采用特殊粘合剂将碳纤维布粘贴于混凝土构件强力受拉区，通过碳纤维布增加受拉区域强度，实现碳纤维布分担工程结构中混凝土钢筋的承受拉力，提高混凝土构件的抗弯承载力和受拉承载力。碳纤维复合材料加固损伤的受弯构件时，结果表明，通过碳纤维布的加固，检验结果显示，加固部位刚度恢复非常显著，加固部位强度和加固量、损伤程度具有一定关系，通过加固，两者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纤维复合材料进行抗剪力加固时，一般要求将碳纤维复合材料粘贴于加固构件的受剪力区，力求形成整体的拉力，促使碳纤维复合材料的作用类似于箍筋，从而形成一定的加固力量，有效控制混凝土结构裂缝的进一步发展。目前研究结果表明，理论上推算碳纤维复合材料的随着外界条件变化应变发展比较缓慢，在实践中用于加固混凝土构件时，碳纤维复合材料达到的最大应变值比较小。在加固混凝土构件屈服后，碳纤维复合材料逐渐取代混凝土构件箍筋的作用逐，从而有效提高构件抗剪承载力，碳纤维复合材料对工程质量提高程度与加固方式、加固量、带间距及粘贴层数密切相关。因此实践中使用碳纤维复合材料对一定的混凝土结构进行维修和加固时，要区别对待，不同位置、强度的部件进行加强所需粘贴量不同，过多过少都不利于加固效果的最优化，如粘贴过量碳纤维增强聚合布，可能会导致不能充分的发挥碳纤维增强聚合布的优势。由于碳纤维增强聚合布的可设计性的优势它与所加固构建之间粘贴比较紧密，可以在不改变现有建筑外观形状的基础上进行整体加固，因此在一些对整体构件加固质量要求比较高，碳纤维聚合布在得到大量应用，如对历史建筑的抢救、保护和维护和原有建筑，同时构件的整体抗震性能得到提高。

2.2 桥梁建设加固方面碳纤维复合材料的应用

由于碳纤维复合材料的使用特点，碳纤维增强聚合布可以应用在桥梁加固方面。如磨损、裂缝、局部塌陷的桥面，可以在保持现有混凝土构件的情况下，通过适当修补后加贴碳纤维增强聚合布，从而提高桥面坚固程度和增加使用寿命，如一般采用将碳纤维增强聚合布粘贴于桥面板下面，在提高桥面整体平整的基础上可以增强桥面板的抗弯及抗剪能力，延长桥梁使用寿命，目前碳纤维复合材料在桥梁建设方面的用途主要有两类，现有桥梁的加固方面和新桥梁的建设使用。在桥梁加固方面碳纤维复合材料主要用于混凝土桥梁的基本构件、节点、裂缝受弯构件、抗弯构件等的加固，加固的目的主要是提高桥梁的面板、构件的抗弯、受弯、抗剪、轴向抗压承载力等，桥梁建设加固方面碳纤维复合材料的应用在国外应用广泛，我国在这方面的工程实践是在引进吸收国外先进经验的基础上，结合我国桥梁工程和新材料发展状况，2003年7月对1971年建成的“宝成桥”进行了加固维修。提高了大桥承载强度，同时对大桥基本构件提供了抗裂防腐的保护作用[2-5]。但是碳纤维增强聚合布加固混凝土桥柱、桥梁时，应注意原有混凝土构件横向膨胀性能促使外包碳纤维增强聚合布的局部环向刚度增大，导致混凝土原有构件的脆性破坏，因此在应用碳纤维增强聚合布维修桥梁加固混凝土柱时要注意完全粘贴整个构件。

3 结论和建议

碳纤维复合材料是随着纤维增强材料的研究而出现的一种新型建筑材料，我国对碳纤维复合材料的研究起步较晚，但是发展比较快，目前碳纤维复合材料大量使用在我国民用建筑和桥梁建设中，主要用于对现有建筑的加固，因为碳纤维增强复合材料具有质量轻、强度大、设计性强的特点，因此被大量使用于可以应用于砌体、混凝土结构等的加固维护，取得了较好的效果。

［1］高娜.纤维增强复合材料在土木工程中的应用[D]. 西安工业大学硕士论文, 2012-04.

［2］金春花. CFRP加固土木工程结构的现状及分析[J]. 科技信息2012(13)：30.

［3］单丽萍.碳纤维布在建筑结构加固中的施工措施浅析[J].民营科技,2012(8)：292.

［4］舒亚.码头改造工程中碳纤维加固技术的运用[J].水利建设与管理,2014(3)：15-17.

［5］张亚坤.纤维增强塑料筋混凝土板的变形研究[J].长江科学院院报，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, 河南郑州人, 高级工程师, 1987年毕业于河北煤炭建筑工程学院, 研究方向：从事建筑工程管理、工程建设技术施工管理等工作。