淺談土木工程中碳纖維復合材料的應用

黎發(fā)勇

【摘 要】由于碳纖維復合材料具有良好的物理力學性能，因此目前已經(jīng)廣泛的應用在各個領(lǐng)域當中，并且都取得了不錯的效果。本文對碳化學纖維復合材料的特點以及力學性能進行簡要介紹，討論了碳纖維復合材料在土木工程中的應用現(xiàn)狀，對目前存在的問題進行了分析，以供相關(guān)人士參考。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；混凝土結(jié)構(gòu)；加固

碳纖維復合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纖維、芳綸纖維以及玻璃纖維等，這些都是我們生活中經(jīng)常用到的，而且它們都具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點。因此在80年代初，人們也將其作為主要的工程施工材料廣泛的應用在工程施工中。碳纖維材料起初主要用于軍事、航天、船舶等工程當中，并且取得了不錯的效果，后來隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在原有的基礎(chǔ)之上對其進行完善和改進，從而擴展到土木工程施工中來，對混凝土的修復和加固工作有著十分重要的意義。

1.碳纖維復合材料的特點及力學性能

碳纖維是當前工程施工中的一種新型的施工材料。它具有良好的物理力學性能，這也是當前用途最廣，性能最好的纖維材料。它在土木工程結(jié)構(gòu)當中，有著極強的補強作用，可以對混凝土結(jié)構(gòu)進行合理有效的修復和加固，從而提高土木工程的結(jié)構(gòu)強度。目前，由于我國的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)比較落后，因此在進行使用的時候，一般都是采用國外進口的碳纖維片。這種碳纖維片有很多種，其中比較常見的有：單向片、單向織布、雙向織布等，這些也是我們工程施工中常用到的施工材料。

當前，在土木工程中應用的最為廣泛的碳纖維復合材料就是碳纖維增強塑料，這種材料在制作過程中，對其物理力學性能有著十分嚴格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有著相應的施工指標。

碳纖維增強塑料的質(zhì)地比較輕，而強度比較高，經(jīng)相關(guān)測試，碳纖維增強塑料的結(jié)構(gòu)強度要超過普通施工鋼材的好幾十倍。而且它本身具有的彈性模量和建筑施工鋼材相比，碳纖維增強彈性模量更強，耐久性和耐腐蝕性也比一般的建筑施工材料要強。由此可見，這種碳纖維復合材料，有著極強的物理力學性能，有利于土木工程結(jié)構(gòu)的加固與修復，極大程度上保障土木工程的質(zhì)量。

2.碳纖維增強塑料在土木工程中的應用現(xiàn)狀

2.1國外應用現(xiàn)狀

目前在工程施工中，人們也開始嘗試著將碳纖維材料加入到混凝土當中，從而制成碳纖維混凝土，應用到工程項目當中，并且取得了不錯的效果。這種主要是將碳纖維的長絲制作成和鋼筋一樣的棒材，在混凝土施工中，將其用來代替鋼筋，從而形成一種新型的結(jié)構(gòu)材料，這種碳纖維混凝土主要用在一些大型工程結(jié)構(gòu)建設(shè)當中。而且在大型的土木工程建設(shè)的時候，人們將碳纖維材料加工成繩狀，將其作為工程施工的拉索結(jié)構(gòu)，不過這種方法并沒有對錨具連接的問題進行很好的解決，但是在土方工程施工中，仍然在應用。而碳纖維混凝土在混凝土工程施工建設(shè)中強度比較高，而且具有極強的耐久性和耐腐蝕性，這也對混凝土的開裂現(xiàn)象進行了有效的控制，從而提高了土木工程的施工質(zhì)量。

在上個世紀80年代，發(fā)達國家就已經(jīng)開始將碳纖維材料應用到混凝土結(jié)構(gòu)當中，從而增強混凝土的物理力學性能，并且在90年代初期，發(fā)達國家就將其碳纖維混凝土材料廣泛的應用到各個工程施工領(lǐng)域當中，而且更具碳纖維優(yōu)異的物理力學性能，使的許多工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)質(zhì)量都有著大幅度的提高。目前，國外發(fā)達國家不但將碳纖維施工技術(shù)應用到各個領(lǐng)域，還對其施工生產(chǎn)技術(shù)掌握得十分成熟，而且現(xiàn)在有許多施工單位將這種碳纖維施工材料，應用到了土木工程當中，并且為社會建設(shè)提供了良好的條件。

2.2國內(nèi)應用現(xiàn)狀

碳纖維加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國起步較晚，但最近幾年系統(tǒng)地對碳纖維用于加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究也呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢，最初僅有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心一個單位，相繼有清華大學、同濟大學、天津大學、東南大學、大連理工大學等十余家高等學校和科研設(shè)計單位嘗試地進行過國產(chǎn)和進口碳纖維織物加固混凝土構(gòu)件主要包括板、梁、柱等的模型實驗、加固施工工藝及加固性能評價等方面的研究，已經(jīng)取得了實質(zhì)性成果，并在工業(yè)與民用建筑、橋梁與隧道以及公路工程中得到具體的應用，收到了良好的效果，現(xiàn)在部分單位著手從事纖維增強材料加固混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的研究。該課題已列入建設(shè)部研究開發(fā)課題及國家科技部“九五”重點攻關(guān)課題。目前這項工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國家工程中心已制作了一些試件，分為20余個工況，取得了構(gòu)件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價值的實驗數(shù)據(jù)，進行了多項工程的試點與推廣。相信碳纖維增強材料在國內(nèi)將有廣闊的發(fā)展前景。

3.目前存在的問題

3.1力學研究方面存在的問題

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是得到國際上普遍認同的開發(fā)熱點，其力學研究已經(jīng)取得了很大的進展，然而，截止目前這方面工作還存在一些問題：（1）盡管對加固結(jié)構(gòu)的力學性能進行了一些試驗研究，但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計算研究卻很有限。而這對于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的。（2）碳纖維加強混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式，如鋼筋屈服-碳纖維斷裂破壞、鋼筋屈服-混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和碳纖維板于混凝土面的黏結(jié)破壞等各類破壞特性，尚需深入研究。（3）盡管對碳纖維加強構(gòu)件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進行了實驗研究，但有關(guān)它們的綜合因素對加固材料的登記、數(shù)量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。（4）有關(guān)疲勞和抗震性能的研究不足，這對于評價加固結(jié)構(gòu)的綜合性能，預測其二次壽命至關(guān)重要。（5）碳纖維加強構(gòu)件與結(jié)構(gòu)其它部分或整體的協(xié)調(diào)性如何，荷載的重分布而引起的局部破壞可能、連接點的削弱程度等，尚待研究。

3.2尚待解決的技術(shù)關(guān)鍵

材料的國產(chǎn)化問題。盡管國外已有多種定型的碳纖維材料產(chǎn)品，但國內(nèi)的大規(guī)模開發(fā)應用不能完全依賴于進口產(chǎn)品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來講，國產(chǎn)化是必須的條件，目前國內(nèi)的PAN基碳纖維強度一般在2000～3000Mpa之間，彈性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本滿足加固要求，但在預浸料的生產(chǎn)和加工成品的質(zhì)量方面仍有較大的欠缺，均勻性也較差。因此材料的國產(chǎn)化問題是一個關(guān)鍵問題。

碳纖維加固修補使用的技術(shù)方面的問題，這主要體現(xiàn)在國內(nèi)相應標準與規(guī)程的制定上，盡管國外一些國家已有了較完善的標準和規(guī)程，但并不適合我國，我們應及早制定出自己的標準和施工指南，包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗、加固設(shè)計、計算、工程施工與驗收的一系列標準化工作。

不過自碳纖維加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)成功后，給土木建筑領(lǐng)域加固改造技術(shù)帶來重大變革，采用碳纖維加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)將比以往從傳統(tǒng)的技術(shù)更優(yōu)越、更有效率和更方便經(jīng)濟，可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問題，具有重大的經(jīng)濟和社會效益。碳纖維加固修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)成功，將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應用于建筑業(yè)打下深厚的基礎(chǔ)，開辟了新的產(chǎn)業(yè)途徑。

4.結(jié)束語

由此可見，碳纖維復合材料由于具有優(yōu)異的特性，在土木工程中得到的廣泛的應用。它不但對土木工程中的混凝土結(jié)構(gòu)有著良好的加固修復功能，延長了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，還極大程度上推動了土木工程的發(fā)展，為是我國的經(jīng)濟建設(shè)打下了扎實基礎(chǔ)。

【參考文獻】

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