談碳纖維復(fù)合材料在土木建筑中的應(yīng)用

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摘 要：纖維增強(qiáng)塑料是土木工程應(yīng)用的熱點(diǎn)，而碳纖維以其良好的物理力學(xué)性能使其應(yīng)用最廣泛、最成熟，本文對(duì)C F R P在土木工程中應(yīng)用給以總結(jié)，并進(jìn)一步指出目前存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：C F R P ；混凝土結(jié)構(gòu)；加固

纖維增強(qiáng)塑料包括碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等，這些復(fù)合材料一般具有耐腐蝕、耐紫外線、輕質(zhì)、高強(qiáng)和非磁性等特點(diǎn)，作為工程材料在80 年代初其物理力學(xué)性能有了突破性的改善和提高。碳纖維材料由于性能優(yōu)于其他復(fù)合材料而脫穎而出。C F R P 最初應(yīng)用局限于航天、軍事和船舶工程，后來(lái)范圍逐步擴(kuò)大到土木工程領(lǐng)域，加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)是自80 年代末至90 年代初在初在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家興起的一項(xiàng)新技術(shù)，目前這項(xiàng)技術(shù)已成為土木工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。除此之外，C F R P作為一種新的增強(qiáng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系正在研究和應(yīng)用。

1 CFRP 增強(qiáng)塑料的優(yōu)越使用性能

1 .1 碳纖維的特點(diǎn)及力學(xué)性能

碳纖維是具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能的新材料，也是目前性能最好，用途最多的增強(qiáng)纖維。在土木工程結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)中，使用較多的碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維片材。目前，在我國(guó)應(yīng)用最多的是日本生產(chǎn)的碳纖維片。這種碳纖維片有單向片、單向預(yù)浸片、單向織布、雙向織布等 。C F R P 增強(qiáng)塑料是指預(yù)浸料碳纖維，其性能指標(biāo)包括在物理力學(xué)性能方面要求其抗拉強(qiáng)、彈性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面主要要求其密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性等指標(biāo)要求。碳纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度是普通建筑鋼材的十幾倍，彈性模量與建筑鋼材在同一水平上并略高，最大可達(dá)鋼材的兩倍左右，具有良好的耐久性和耐腐蝕性。

1.2 碳纖維的加固應(yīng)用實(shí)例

到目前為止，碳纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應(yīng)用最多，相應(yīng)計(jì)算理論也較為成熟。在受彎加固時(shí)，應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與受拉區(qū)的拉應(yīng)力方向一致，在受剪加固時(shí)，應(yīng)使碳纖維片材的纖維方向與混凝土中主拉應(yīng)力方向一致，但為了施工方便，可采用纖維方向與構(gòu)件縱軸垂直的方法進(jìn)行加固，抗震加固時(shí)，應(yīng)使碳纖維布封閉纏繞在柱上，可以較好地提高抗震性能，除此以外，碳纖維片材也可沿構(gòu)件軸向粘貼用于受拉構(gòu)件的加固、沿環(huán)向粘貼用于軸心受壓構(gòu)件的加固，在受彎加固時(shí)，也可采用對(duì)碳纖維片材施加預(yù)應(yīng)力的方法以提高加固效果，碳纖維片材也可用于剪力墻，以及殼體、筒倉(cāng)、煙囪等特種結(jié)構(gòu)的加固，這些加固方法經(jīng)研究表明是有效的。

應(yīng)用實(shí)例：北海天海閣假日酒店改造工程，由兩棟2 2 層的高層公寓和裙樓組成，因原設(shè)計(jì)為商住樓，現(xiàn)因開(kāi)發(fā)需要改為度假式酒店工程，要求對(duì)地下室和裙樓部份的剪力墻進(jìn)行開(kāi)洞補(bǔ)強(qiáng)， 共開(kāi)剪力墻洞口八個(gè)均采用了碳纖維布加固補(bǔ)強(qiáng)的施工方法；另屋頂水箱間樓板因使用需要改為設(shè)備間，亦對(duì)樓板進(jìn)行了加固，板面采用疊合加固法，板底采用碳纖維布加固的方法。實(shí)踐證明加固效果是有效和良好的。

2 CFRP 增強(qiáng)塑料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2. 1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

將短切碳纖維加入新混凝土中，制成碳纖維混凝土用于新結(jié)構(gòu)已有一定的工程應(yīng)用；將碳纖維長(zhǎng)絲制成棒材，在新混凝土中代替鋼筋用于新建結(jié)構(gòu)，主要用于海洋工程結(jié)構(gòu)及需電磁波透過(guò)的工程結(jié)構(gòu)；將碳纖維加工成束狀或繩狀，用于大型土木工程的拉索或懸索結(jié)構(gòu)，該方面應(yīng)用在錨具連接上尚未能很好地解決，仍有一定的應(yīng)用；在新建結(jié)構(gòu)中與混凝土一起做成預(yù)制混凝土板或大跨梁、架等，具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕和耐腐蝕及耐久性等優(yōu)點(diǎn)，已有部分工程應(yīng)用；應(yīng)用于各種公路路面工程中，可以極大地提高公路的質(zhì)量及耐久性，已有較多的工程實(shí)例；將碳纖維做成布織物或織物，用于結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)，有大量的工程應(yīng)用，其技術(shù)已基本成熟。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

CFRP 加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)起步較晚，但最近幾年系統(tǒng)地對(duì)CFRP 用于加固修補(bǔ)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(shì)，最初僅有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心一個(gè)單位，相繼有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、東南大學(xué)、大連理工大學(xué)等十余家高等學(xué)校和科研設(shè)計(jì)單位嘗試地進(jìn)行過(guò)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)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(shí)驗(yàn)、加固施工工藝及加固性能評(píng)價(jià)等方面的研究，已經(jīng)取得了實(shí)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(yīng)用，收到了良好的效果，現(xiàn)在部分單位著手從事纖維增強(qiáng)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(kāi)發(fā)課題及國(guó)家科技部“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題。目前這項(xiàng)工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國(guó)家工程中心已制作了一些試件，分為2 0余個(gè)工況，取得了構(gòu)件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了多項(xiàng)工程的試點(diǎn)與推廣。相信碳纖維增強(qiáng)材料在國(guó)內(nèi)將有廣闊的發(fā)展前景。

3 目前存在的問(wèn)題

3 .1力學(xué)研究方面存在的問(wèn)題

CFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是得到國(guó)際上普遍認(rèn)同的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，其力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，然而，截至目前這方面工作還存在一些問(wèn)題：

(1)盡管對(duì)加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計(jì)算研究卻很有限。而這對(duì)于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的。

CFRP 加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式，如鋼筋屈服－CFRP 斷裂破壞、鋼筋屈服－混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和CFRP 板于混凝土面的黏結(jié)破壞等各類(lèi)破壞特性，尚需深入研究。

盡管對(duì)CFRP 加強(qiáng)構(gòu)件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但有關(guān)它們的綜合因素對(duì)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。

有關(guān)疲勞和抗震性能的研究不足，這對(duì)于評(píng)價(jià)加固結(jié)構(gòu)的綜合性能，預(yù)測(cè)其二次壽命至關(guān)重要。

CFRP 加強(qiáng)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(diǎn)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(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。盡管?chē)?guó)外已有多種定型的碳纖維材料產(chǎn)品，但國(guó)內(nèi)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用不能完全依賴(lài)于進(jìn)口產(chǎn)品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來(lái)講，國(guó)產(chǎn)化是必須的條件，目前國(guó)內(nèi)的P A N 基碳纖維強(qiáng)度一般在2000~3000Mpa 之間，彈性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本滿(mǎn)足加固要求，但在預(yù)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(guó)產(chǎn)化問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

CFRP 加固修補(bǔ)使用的技術(shù)方面的問(wèn)題，這主要體現(xiàn)在國(guó)內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的制定上，盡管?chē)?guó)際上一些國(guó)家已有了較完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，但并不適合我國(guó)，我們應(yīng)及早制定出自己的標(biāo)準(zhǔn)和施工指南，包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)、加固設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程施工與驗(yàn)收的一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

CFRP 加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功后，將會(huì)給土木建筑領(lǐng)域加固改造技術(shù)帶來(lái)重大變革，采用碳纖維加固修復(fù)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(jì)，可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術(shù)問(wèn)題，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。CFRP 加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)成功，將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應(yīng)用于建筑業(yè)打下深厚的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了新的產(chǎn)業(yè)途徑。同時(shí)將會(huì)極大地帶動(dòng)我國(guó)碳纖維高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，也為力學(xué)研究工作拓寬了領(lǐng)域，然而，新的加固結(jié)構(gòu)體系集合了復(fù)合材料與鋼筋混凝土的綜合特點(diǎn)，要求力學(xué)工作者要與材料學(xué)家和結(jié)構(gòu)工程師聯(lián)合，探討宏微觀結(jié)合的結(jié)構(gòu)力學(xué)和基于新體系的材料損傷破壞力學(xué)，建立新體系的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為制定加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范提供理論依據(jù)，以推動(dòng)復(fù)合材料加固技術(shù)的發(fā)展與完善。