碳纤维复合材料在土木加固工程中的应用研究*

钱若霖，黄春晖

(陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西咸阳 712000)

随着城市化进程的加速发展和现有基础设施老化问题的日益突出，土木工程的加固与修复变得尤为重要。传统的加固方法在满足工程需求的同时，存在着重量大、施工周期长和对原有结构影响较大等缺点[1-2]。相比之下，碳纤维复合材料具有重量轻、施工方便快捷以及不会对原有结构造成显著影响等优势，因此成为土木工程加固领域的研究热点[3-4]。

在国际上，许多发达国家对碳纤维复合材料在土木加固工程中的应用进行了深入研究[5]。例如，美国、日本和德国等国家已经采用碳纤维增强聚合物（CFRP）板进行桥梁、建筑物等结构的加固，并获得了显著的效果，这表明碳纤维复合材料在提高结构强度、刚度和耐久性方面具有巨大潜力。在我国，碳纤维复合材料在土木加固工程中的应用也取得了一定的进展[6-7]，许多研究机构和高校开展了相关研究，并取得了一系列重要成果。研究内容主要包括碳纤维布与钢筋混凝土梁的粘结性能研究、碳纤维布加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究以及碳纤维板在桥梁加固中的应用等。这些研究成果为我国土木工程加固领域的实际应用提供了理论和技术支持。

碳纤维复合材料作为一种具有轻质、高强度和耐腐蚀等优异性能的先进材料，在土木加固工程中具有广阔的应用前景。它不仅可以提高结构的承载能力和刚度，还可以增强结构的耐久性和抗震性能。针对碳纤维复合材料在不同土木加固工程类型中的适用性及其应用等问题展开探索和研究，为进一步推广和改进碳纤维复合材料加固技术具有重要的参考和指导意义。

1 碳纤维复合材料的特点

碳纤维复合材料是一种由碳纤维和基体材料组成的复合材料。碳纤维是以高纯度石墨为原料，在高温下经过碳化成纤维状后制得的非金属材料，具有优异的力学性能，包括低密度、高强度和高模量等特点。而基体材料则是起到填充和固定碳纤维的作用。常见的基体材料包括热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）、热塑性树脂（如聚酰亚胺、聚醚酮）、金属（如铝合金、钛合金）和陶瓷等。基体材料的选择取决于应用需求和所需性能。碳纤维作为增强材料，通过与基体材料结合，形成具有优异性能的复合材料。

在土木加固工程中的碳纤维复合材料，其基体主要采用的是环氧树脂与乙烯基聚酯等。其中，树脂可使碳纤维连结成为整体，并保护纤维不受机械损伤与化学侵蚀。具体来说，碳纤维复合材料具有以下特点。

（1）高强度与低重量。碳纤维具有很高的强度，比传统金属材料，如钢和铝要高几倍。这是由于碳纤维的晶体结构使得其具有优异的拉伸强度和刚度。碳纤维复合材料的强度可以根据纤维的方向进行调节，使其在特定方向上具有更高的强度，同时又具备轻量化的优点，这使得其在土木加固工程中能有效地增加结构的承载能力而不会引入过多的额外重量，便于生产和操作。

（2）良好耐候性。碳纤维复合材料具有良好的耐候性，能够抵抗紫外线辐射、酸碱和湿度等环境因素的侵蚀。相比于金属材料，它不容易生锈、腐蚀或受到化学物质的影响，具有更长的使用寿命。

（3）抗腐蚀性。碳纤维复合材料对于大多数化学品和溶剂具有较好的抗腐蚀性。碳纤维复合材料并不会因为暴露在湿度、温度变化或者化学物质中而产生腐蚀，因此，使用碳纤维复合材料可以降低由环境影响产生的维修和替换需求，从而降低工程的整体生命周期成本。

（4）热稳定性。碳纤维复合材料具有良好的热稳定性，能够在高温环境下保持其结构完整性和力学性能。它可以在高温条件下使用，具有较低的热膨胀系数和良好的耐热性。

（5）抗疲劳性能。对于类似于交通荷载的循环应力作用，碳纤维复合材料展现出卓越的耐久性。即使在大量的应力循环下，其性能也不会显著退化。这使得碳纤维复合材料特别适合用于桥梁、道路等需要经受持续荷载的土木工程项目。

（6）良好的粘接性能。碳纤维复合材料的表面处理可以确保与粘结剂之间的良好连接，从而形成坚固的粘结界面。这样可以确保碳纤维复合材料和混凝土之间的紧密结合，以最大限度地利用其强度和刚度。

（7）设计灵活，施工便捷。碳纤维复合材料可以用于各种类型的加固设计方案，例如预应力系统、外包束和粘附层等。这为设计人员提供了更广泛的选择空间，可以根据各种土木加固工程的特殊需求来优化设计。其较高的弹性模量和低重量，使得其在施工时易于操作，无论是预制件的生产还是现场安装，都可进行快速有效的施工。

2 碳纤维复合材料在土木加固工程中的应用

碳纤维复合材料在加固工程中具有重要的应用，主要应用形式包括以下几方面：

（1）碳纤维布。碳纤维布是将碳纤维进行编织而成的产品，具有优异的拉伸强度和耐腐蚀性。在加固工程中，它通常被用于增强混凝土、木材、钢铁等结构。

（2）碳纤维板材。碳纤维板材是一种层压材料，由数层碳纤维布通过树脂粘合剂层叠压制而成，形成坚硬而轻质的板材。在加固工程中，它常常用于整体加固、瓦解或断裂区域的修补，以及提高承重结构的刚度和稳定性。

（3）碳纤维棒。碳纤维棒是一种高强度、低密度、良好耐候性的材料。在加固工程中，它常常用于预应力加固，特别是在需要大幅度增强抗弯性能的地方，如桥梁、隧道、墙体等。

（4）碳纤维绳索。碳纤维绳索是由多股碳纤维束线相互绞制而成，既保持了碳纤维的力学性能，同时具备较好的韧性。在加固工程中，它可广泛应用于大跨度、大荷载的悬索桥、斜拉桥等关键部位的加固。

2.1 碳纤维复合材料在木结构加固中的应用

对于木结构，如何有效地进行加固以延长其使用寿命是一个复杂而重要的任务。传统的加固方法主要包括钉接、螺栓连接、钢板加固等，但这些方法都存在着改变原始木结构形态、影响美观、易生锈腐蚀等问题。

由于CFRP的优异性能，它越来越多地被应用于木结构的加固中。首先，通过粘贴CFRP带或片，可以显著提高木结构元件的承载能力和刚度，降低其形变；其次，CFRP加固不会改变木结构的原本形态，对建筑的美观度影响小；再者，CFRP对环境因素（如湿度、温度）的适应性强，耐腐蚀，抗老化，可大大延长木结构的使用寿命。

近几年CFRP增强胶合木在加固工程中的应用广泛，它能够有效延缓梁体的受拉脆性破坏，减少因木材自身缺陷而对构件抗弯疲劳性能所造成的影响，使原有木结构疲劳寿命得到一定的提高，疲劳性能也得到显著改善[8]。

2.2 碳纤维复合材料在钢筋混凝土结构加固中的应用

钢筋混凝土是一种传统的建筑材料。目前，我国大部分建筑结构形式依旧是钢筋混凝土结构，但混凝土自身存在抗拉强度低、抗裂性能差、受拉区容易开裂等缺点，这些缺陷不利于结构抗震。CFRP 是钢筋混凝土工程中应用广泛的一种纤维增强加固材料，通过与钢筋混凝土结构粘结，形成一个共同工作体系，在应力传递方面表现出色，从而提供额外的强度和刚度，在达到抗拉强度之前几乎不会产生塑性变形，受拉时应力和应变呈弹性上升。碳纤维复合材料应用于钢筋混凝土加固能够充分结合两者的优点，可以有效地提高结构的抗震性能，能够有效地限制或阻止裂缝的扩展，改善结构的整体稳定性和耐久性。

碳纤维复合材料在钢筋混凝土结构加固中有多种应用方法，常见的包括：（1）外贴加固。将碳纤维布或片材粘贴在钢筋混凝土结构的表面，形成一个外包层，提供额外的强度和刚度。（2）内贴加固。将碳纤维板或片材嵌入到已开槽的钢筋混凝土结构内部，形成一个内部加固体系。（3）预应力加固。通过张拉预应力碳纤维带或碳纤维板，使其产生预压力，进一步增强结构的承载能力。（4）局部增强。针对结构中的薄弱部位，使用碳纤维条或板进行局部加固，提高该区域的抗压、抗剪等能力。

2.3 碳纤维复合材料在钢结构加固中的应用

碳纤维增强复合材料由于其重量轻、强度高等特点被广泛地应用于加固钢结构中。其基本原理是利用高强度的碳纤维复合材料在原有钢结构上形成一个新的应力承受层，以改善其抗弯、抗剪等力学性能。通常，碳纤维复合材料是通过粘贴或涂覆的方式附着在钢面上。常见的两种加固方法是：粘贴碳纤复合材料片和喷涂碳纤复合材料涂层。选择哪种方法取决于具体工程的施工条件、力学性能需求以及成本效益等因素。

近年来，常见的加固结构有碳纤维-钢-高性能水泥基复合材料组合梁，由三种不同材料组合而成的结构，主要利用三种不同材料各自的优势，使得组合结构充发挥了材料性能[9]。在正交异性钢桥面板中，粘贴CFRP板对纵肋与横隔板焊接细节进行加固后，开裂细节围焊端部应力明显减小，这表明加固后疲劳开裂部位围焊端部处应力状态得到改善，CFRP加固件与钢桥面板构件协同受力性能良好[10]。

可见受损钢结构在碳纤维增强复合材料修复加固后的强度显著提高，显示了其优良性能。且随着CFRP生产工艺进一步发展，生产成本不断降低，其在钢结构工程修复加固领域的应用将更加广泛。

3 总结与展望

碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低重量以及优良的耐腐蚀性和耐疲劳性等特点，其在土木加固工程中的应用具有很大的潜力。在木结构加固中，CFRP能有效增强结构的承载能力和抗震性能，延长使用寿命；在钢筋混凝土结构加固中，CFRP不仅可以提高结构的抗弯、抗剪能力，还可以改善其耐久性；在钢结构加固中，CFRP通过形成新的应力承受层，可以显著提升原有结构的性能。

未来，为了充分利用CFRP的优越性能，将会开发更高效且经济的施工技术和方法，针对不同类型的建筑结构和特殊应用场景，设计并优化CFRP的规格和配置。整体上，碳纤维复合材料在土木加固工程中具有巨大的潜力和广阔的应用前景，值得我们进行更深入的研究与探索。