CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用探析

李東洋

摘要：CFRP材料是碳纖維復(fù)合材料的簡稱，是一種具備超高性能的復(fù)合型材料，在土木工程的建設(shè)中，CFRP材料在建筑物的加強固定方面具有相當明顯的優(yōu)勢。在我國，加固技術(shù)早已受到土木工程領(lǐng)域的密切關(guān)注，目前針對建筑物的加固有一些結(jié)構(gòu)方法，但是結(jié)構(gòu)性的方法耗費材料較多、后期的維護費用較高、難以保證質(zhì)量。而CFRP材料是通過碳纖維進行結(jié)構(gòu)的粘連，CFRP材料的運用可以克服結(jié)構(gòu)型加固技術(shù)的弊端，因此，CFRP材料開始得到土木工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用。本文主要針對CFRP材料在土木工程的應(yīng)用進行探究分析。

關(guān)鍵詞：CFRP材料 土木工程 應(yīng)用

一、CFRP材料的特點

CFRP材料的耐久性比較強，是一種非常好的絕緣性材料，而且，CFRP材料對于一些化學介質(zhì)的腐蝕，有非常良好的抵抗作用。正是由于CFRP材料有這樣的優(yōu)勢，因此，在將CFRP材料應(yīng)用于加固技術(shù)中時才會體現(xiàn)出難以取代的優(yōu)勢。

CFRP材料具有非常強的耐疲勞性能，一般情況下，普通的金屬可以拉伸到百分之四十到百分之五十之間，但是碳纖維復(fù)合材料可以拉伸到百分之七十到百分之八十之間。

CFRP材料的強度高，但是質(zhì)地卻非常的輕，與鋼制材料相比，鋼制材料的密度是碳纖維復(fù)合材料的五倍之多，雖然碳纖維復(fù)合材料的密度低，但是其強度卻是鋼制材料強度的十倍左右。在建筑材料時，使用CFRP材料可以節(jié)省空間、減輕自身的重量。

CFRP材料的適用范圍非常的廣泛，而且便于施工，因為CFRP材料裁剪起來比較方便，因此CFRP材料可以用于各種形狀、結(jié)構(gòu)、類型建筑物的建造。也正是由于CFRP材料便于裁剪，因此在進行施工時，不容易使結(jié)構(gòu)的形狀、外觀等改變。

二、CFRP材料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）在鋼結(jié)構(gòu)材料的加固方面

對于鋼制材料結(jié)構(gòu)的加固，傳統(tǒng)的加固方法主要是焊接，但是，該方法會增加自身的重量，還會增大自身的寬度，不僅如此，在進行施工時還需要一些固定的設(shè)備。但是如果采用碳纖維復(fù)合材料對鋼制材料進行加固就會方便很多，因為碳纖維復(fù)合材料不僅具有耐腐蝕性、絕緣性，還便于操作。如果采用傳統(tǒng)的焊接方法，在潮濕的環(huán)境中，鋼制材料可能會出現(xiàn)生銹的情況，但是如果用碳纖維復(fù)合材料對鋼制材料進行加固，不僅不會被腐蝕，還可以節(jié)省空間、減輕自身的重量。根據(jù)相關(guān)的研究可以發(fā)現(xiàn)，采用碳纖維復(fù)合材料對鋼制結(jié)構(gòu)的建筑進行加固可以增加鋼結(jié)構(gòu)的壽命、在原有的鋼結(jié)構(gòu)支撐基礎(chǔ)上提高支撐強度、使自身結(jié)構(gòu)裂紋的擴展得到延緩等。

（二）在混凝土材料的加固方面

在現(xiàn)階段的土木工程建設(shè)中，遇到最多的加固問題就是對混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物進行加固，因此，在目前的土木工程建筑行業(yè)中，對混凝土材料的加固、抗性研究比較多。當混凝土材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲時，可以利用碳纖維復(fù)合材料進行加固和調(diào)整，具體的操作方法就是將碳纖維復(fù)合材料黏貼在混凝土材料的受力面，使碳纖維復(fù)合材料分擔混凝土材料受到的拉力，從而加固混凝土的抗彎曲能力；當混凝土材料出現(xiàn)裂紋時，可以利用碳纖維復(fù)合材料進行適當?shù)募庸毯驼{(diào)整，具體的操作方法就是裁剪出適當大小的碳纖維復(fù)合材料，將其粘連在出現(xiàn)裂紋的混凝土材料處，這樣一來，碳纖維復(fù)合材料就像是膠水一樣，將分裂開的兩部分粘連起來，避免混凝土裂縫繼續(xù)開裂；當混凝土材料受到的壓力過強時，可以將碳纖維復(fù)合材料纏繞在受壓結(jié)構(gòu)上，以此增強其結(jié)構(gòu)的受壓能力；最后就是對混凝土材料的抗疲勞性加固，將碳纖維復(fù)合材料覆蓋于原混凝土材料表面，既可以增加耐性，又可以延長建筑物的使用壽命。

（三）在砌體和混凝土材料加固方面

在我國，一些墻體的建造大多是砌體和混凝土材料共同構(gòu)成的，社會各界對該混合結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)非常重視。根據(jù)國際可靠研究，我們了解到將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于砌體和混凝土材料結(jié)構(gòu)的加固方面，是非?？煽康?，但是由于經(jīng)濟、一些材料力學的因素，選擇碳纖維復(fù)合材料的使用量還有待研究

三、CFRP材料的研究方向

由于CFRP材料的受力性非常好，使用壽命較其他材料的使用壽命更長，因此，使用CFRP材料進行加固、建造都是非常可取的。其他材料在需要加固時，大部分是粘連結(jié)構(gòu)受到破壞，破壞的原因比較復(fù)雜，因此，加強對破壞原因的研究是非常必要的，研究出破壞的原因，繼而研究出應(yīng)對的方法。

雖然目前我國關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的研究成果已經(jīng)有很多了，但是，材料研究的相關(guān)過程和規(guī)范還不夠完善，這也對我國該技術(shù)的發(fā)展做出來很大的限制，因此，國家必須針對這一技術(shù)完善相關(guān)的法律法規(guī)。

目前我國土木建筑行業(yè)的加固技術(shù)大多數(shù)是短期內(nèi)的加固，對于長期的加固材料和加固手段，國內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域還沒有研究出結(jié)構(gòu)，因此，加強對碳纖維復(fù)合材料的加固耐久性進行研究也是非常必要的。

在傳統(tǒng)的土木工程中，建筑團隊使用的材料大多數(shù)是鋼筋水泥和混凝土，但是鋼筋具有磁性，而且耐腐蝕性比較差，而碳纖維復(fù)合性材料的性能就相對更加優(yōu)越，比如更加的耐腐蝕，如果碳纖維復(fù)合材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料的弊端，就可以對提高建筑物質(zhì)量起到積極的促進作用，因此，相關(guān)部門應(yīng)該加緊對碳纖維復(fù)合材料是否可以代替鋼筋等傳統(tǒng)建筑材料。

雖然碳纖維復(fù)合材料的性能非常優(yōu)越，但是當碳纖維復(fù)合材料處于相對特殊的環(huán)境中時，碳纖維復(fù)合材料的性能就可能會被威脅。雖然碳纖維復(fù)合材料的性能相比于其他的材料而言很優(yōu)越，但是其防火性比較差，因此，相關(guān)的研究部門應(yīng)該對碳纖維復(fù)合材料在一些相對特殊的環(huán)境中性能的研究，比如低溫度、高溫度、沖擊性的荷載、潮濕的、重復(fù)性荷載等特殊的環(huán)境。

四、結(jié)語

結(jié)合本國土木工程行業(yè)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的運用越來越廣泛，但是，在一些耐久性、規(guī)范標準方面的研究還不夠完善，因此加速相關(guān)法律法規(guī)的制定、加速對碳纖維復(fù)合材料的研究是很重要的。

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（作者單位：東北大學）