碳纖維復合材料在土木加固工程中的應用研究*

錢若霖，黃春暉

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 土木工程學院，陜西咸陽 712000)

隨著城市化進程的加速發(fā)展和現(xiàn)有基礎設施老化問題的日益突出，土木工程的加固與修復變得尤為重要。傳統(tǒng)的加固方法在滿足工程需求的同時，存在著重量大、施工周期長和對原有結構影響較大等缺點[1-2]。相比之下，碳纖維復合材料具有重量輕、施工方便快捷以及不會對原有結構造成顯著影響等優(yōu)勢，因此成為土木工程加固領域的研究熱點[3-4]。

在國際上，許多發(fā)達國家對碳纖維復合材料在土木加固工程中的應用進行了深入研究[5]。例如，美國、日本和德國等國家已經(jīng)采用碳纖維增強聚合物（CFRP）板進行橋梁、建筑物等結構的加固，并獲得了顯著的效果，這表明碳纖維復合材料在提高結構強度、剛度和耐久性方面具有巨大潛力。在我國，碳纖維復合材料在土木加固工程中的應用也取得了一定的進展[6-7]，許多研究機構和高校開展了相關研究，并取得了一系列重要成果。研究內容主要包括碳纖維布與鋼筋混凝土梁的粘結性能研究、碳纖維布加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能研究以及碳纖維板在橋梁加固中的應用等。這些研究成果為我國土木工程加固領域的實際應用提供了理論和技術支持。

碳纖維復合材料作為一種具有輕質、高強度和耐腐蝕等優(yōu)異性能的先進材料，在土木加固工程中具有廣闊的應用前景。它不僅可以提高結構的承載能力和剛度，還可以增強結構的耐久性和抗震性能。針對碳纖維復合材料在不同土木加固工程類型中的適用性及其應用等問題展開探索和研究，為進一步推廣和改進碳纖維復合材料加固技術具有重要的參考和指導意義。

1 碳纖維復合材料的特點

碳纖維復合材料是一種由碳纖維和基體材料組成的復合材料。碳纖維是以高純度石墨為原料，在高溫下經(jīng)過碳化成纖維狀后制得的非金屬材料，具有優(yōu)異的力學性能，包括低密度、高強度和高模量等特點。而基體材料則是起到填充和固定碳纖維的作用。常見的基體材料包括熱固性樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂）、熱塑性樹脂（如聚酰亞胺、聚醚酮）、金屬（如鋁合金、鈦合金）和陶瓷等?；w材料的選擇取決于應用需求和所需性能。碳纖維作為增強材料，通過與基體材料結合，形成具有優(yōu)異性能的復合材料。

在土木加固工程中的碳纖維復合材料，其基體主要采用的是環(huán)氧樹脂與乙烯基聚酯等。其中，樹脂可使碳纖維連結成為整體，并保護纖維不受機械損傷與化學侵蝕。具體來說，碳纖維復合材料具有以下特點。

（1）高強度與低重量。碳纖維具有很高的強度，比傳統(tǒng)金屬材料，如鋼和鋁要高幾倍。這是由于碳纖維的晶體結構使得其具有優(yōu)異的拉伸強度和剛度。碳纖維復合材料的強度可以根據(jù)纖維的方向進行調節(jié)，使其在特定方向上具有更高的強度，同時又具備輕量化的優(yōu)點，這使得其在土木加固工程中能有效地增加結構的承載能力而不會引入過多的額外重量，便于生產和操作。

（2）良好耐候性。碳纖維復合材料具有良好的耐候性，能夠抵抗紫外線輻射、酸堿和濕度等環(huán)境因素的侵蝕。相比于金屬材料，它不容易生銹、腐蝕或受到化學物質的影響，具有更長的使用壽命。

（3）抗腐蝕性。碳纖維復合材料對于大多數(shù)化學品和溶劑具有較好的抗腐蝕性。碳纖維復合材料并不會因為暴露在濕度、溫度變化或者化學物質中而產生腐蝕，因此，使用碳纖維復合材料可以降低由環(huán)境影響產生的維修和替換需求，從而降低工程的整體生命周期成本。

（4）熱穩(wěn)定性。碳纖維復合材料具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境下保持其結構完整性和力學性能。它可以在高溫條件下使用，具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的耐熱性。

（5）抗疲勞性能。對于類似于交通荷載的循環(huán)應力作用，碳纖維復合材料展現(xiàn)出卓越的耐久性。即使在大量的應力循環(huán)下，其性能也不會顯著退化。這使得碳纖維復合材料特別適合用于橋梁、道路等需要經(jīng)受持續(xù)荷載的土木工程項目。

（6）良好的粘接性能。碳纖維復合材料的表面處理可以確保與粘結劑之間的良好連接，從而形成堅固的粘結界面。這樣可以確保碳纖維復合材料和混凝土之間的緊密結合，以最大限度地利用其強度和剛度。

（7）設計靈活，施工便捷。碳纖維復合材料可以用于各種類型的加固設計方案，例如預應力系統(tǒng)、外包束和粘附層等。這為設計人員提供了更廣泛的選擇空間，可以根據(jù)各種土木加固工程的特殊需求來優(yōu)化設計。其較高的彈性模量和低重量，使得其在施工時易于操作，無論是預制件的生產還是現(xiàn)場安裝，都可進行快速有效的施工。

2 碳纖維復合材料在土木加固工程中的應用

碳纖維復合材料在加固工程中具有重要的應用，主要應用形式包括以下幾方面：

（1）碳纖維布。碳纖維布是將碳纖維進行編織而成的產品，具有優(yōu)異的拉伸強度和耐腐蝕性。在加固工程中，它通常被用于增強混凝土、木材、鋼鐵等結構。

（2）碳纖維板材。碳纖維板材是一種層壓材料，由數(shù)層碳纖維布通過樹脂粘合劑層疊壓制而成，形成堅硬而輕質的板材。在加固工程中，它常常用于整體加固、瓦解或斷裂區(qū)域的修補，以及提高承重結構的剛度和穩(wěn)定性。

（3）碳纖維棒。碳纖維棒是一種高強度、低密度、良好耐候性的材料。在加固工程中，它常常用于預應力加固，特別是在需要大幅度增強抗彎性能的地方，如橋梁、隧道、墻體等。

（4）碳纖維繩索。碳纖維繩索是由多股碳纖維束線相互絞制而成，既保持了碳纖維的力學性能，同時具備較好的韌性。在加固工程中，它可廣泛應用于大跨度、大荷載的懸索橋、斜拉橋等關鍵部位的加固。

2.1 碳纖維復合材料在木結構加固中的應用

對于木結構，如何有效地進行加固以延長其使用壽命是一個復雜而重要的任務。傳統(tǒng)的加固方法主要包括釘接、螺栓連接、鋼板加固等，但這些方法都存在著改變原始木結構形態(tài)、影響美觀、易生銹腐蝕等問題。

由于CFRP的優(yōu)異性能，它越來越多地被應用于木結構的加固中。首先，通過粘貼CFRP帶或片，可以顯著提高木結構元件的承載能力和剛度，降低其形變；其次，CFRP加固不會改變木結構的原本形態(tài)，對建筑的美觀度影響??；再者，CFRP對環(huán)境因素（如濕度、溫度）的適應性強，耐腐蝕，抗老化，可大大延長木結構的使用壽命。

近幾年CFRP增強膠合木在加固工程中的應用廣泛，它能夠有效延緩梁體的受拉脆性破壞，減少因木材自身缺陷而對構件抗彎疲勞性能所造成的影響，使原有木結構疲勞壽命得到一定的提高，疲勞性能也得到顯著改善[8]。

2.2 碳纖維復合材料在鋼筋混凝土結構加固中的應用

鋼筋混凝土是一種傳統(tǒng)的建筑材料。目前，我國大部分建筑結構形式依舊是鋼筋混凝土結構，但混凝土自身存在抗拉強度低、抗裂性能差、受拉區(qū)容易開裂等缺點，這些缺陷不利于結構抗震。CFRP 是鋼筋混凝土工程中應用廣泛的一種纖維增強加固材料，通過與鋼筋混凝土結構粘結，形成一個共同工作體系，在應力傳遞方面表現(xiàn)出色，從而提供額外的強度和剛度，在達到抗拉強度之前幾乎不會產生塑性變形，受拉時應力和應變呈彈性上升。碳纖維復合材料應用于鋼筋混凝土加固能夠充分結合兩者的優(yōu)點，可以有效地提高結構的抗震性能，能夠有效地限制或阻止裂縫的擴展，改善結構的整體穩(wěn)定性和耐久性。

碳纖維復合材料在鋼筋混凝土結構加固中有多種應用方法，常見的包括：（1）外貼加固。將碳纖維布或片材粘貼在鋼筋混凝土結構的表面，形成一個外包層，提供額外的強度和剛度。（2）內貼加固。將碳纖維板或片材嵌入到已開槽的鋼筋混凝土結構內部，形成一個內部加固體系。（3）預應力加固。通過張拉預應力碳纖維帶或碳纖維板，使其產生預壓力，進一步增強結構的承載能力。（4）局部增強。針對結構中的薄弱部位，使用碳纖維條或板進行局部加固，提高該區(qū)域的抗壓、抗剪等能力。

2.3 碳纖維復合材料在鋼結構加固中的應用

碳纖維增強復合材料由于其重量輕、強度高等特點被廣泛地應用于加固鋼結構中。其基本原理是利用高強度的碳纖維復合材料在原有鋼結構上形成一個新的應力承受層，以改善其抗彎、抗剪等力學性能。通常，碳纖維復合材料是通過粘貼或涂覆的方式附著在鋼面上。常見的兩種加固方法是：粘貼碳纖復合材料片和噴涂碳纖復合材料涂層。選擇哪種方法取決于具體工程的施工條件、力學性能需求以及成本效益等因素。

近年來，常見的加固結構有碳纖維-鋼-高性能水泥基復合材料組合梁，由三種不同材料組合而成的結構，主要利用三種不同材料各自的優(yōu)勢，使得組合結構充發(fā)揮了材料性能[9]。在正交異性鋼橋面板中，粘貼CFRP板對縱肋與橫隔板焊接細節(jié)進行加固后，開裂細節(jié)圍焊端部應力明顯減小，這表明加固后疲勞開裂部位圍焊端部處應力狀態(tài)得到改善，CFRP加固件與鋼橋面板構件協(xié)同受力性能良好[10]。

可見受損鋼結構在碳纖維增強復合材料修復加固后的強度顯著提高，顯示了其優(yōu)良性能。且隨著CFRP生產工藝進一步發(fā)展，生產成本不斷降低，其在鋼結構工程修復加固領域的應用將更加廣泛。

3 總結與展望

碳纖維復合材料具有高強度、高剛度、低重量以及優(yōu)良的耐腐蝕性和耐疲勞性等特點，其在土木加固工程中的應用具有很大的潛力。在木結構加固中，CFRP能有效增強結構的承載能力和抗震性能，延長使用壽命；在鋼筋混凝土結構加固中，CFRP不僅可以提高結構的抗彎、抗剪能力，還可以改善其耐久性；在鋼結構加固中，CFRP通過形成新的應力承受層，可以顯著提升原有結構的性能。

未來，為了充分利用CFRP的優(yōu)越性能，將會開發(fā)更高效且經(jīng)濟的施工技術和方法，針對不同類型的建筑結構和特殊應用場景，設計并優(yōu)化CFRP的規(guī)格和配置。整體上，碳纖維復合材料在土木加固工程中具有巨大的潛力和廣闊的應用前景，值得我們進行更深入的研究與探索。