浅谈土木工程中碳纤维复合材料的应用

黎发勇

【摘 要】由于碳纤维复合材料具有良好的物理力学性能，因此目前已经广泛的应用在各个领域当中，并且都取得了不错的效果。本文对碳化学纤维复合材料的特点以及力学性能进行简要介绍，讨论了碳纤维复合材料在土木工程中的应用现状，对目前存在的问题进行了分析，以供相关人士参考。

【关键词】碳纤维；混凝土结构；加固

碳纤维复合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纤维、芳纶纤维以及玻璃纤维等，这些都是我们生活中经常用到的，而且它们都具有轻质、高强、耐腐蚀等特点。因此在80年代初，人们也将其作为主要的工程施工材料广泛的应用在工程施工中。碳纤维材料起初主要用于军事、航天、船舶等工程当中，并且取得了不错的效果，后来随着科学技术的不断发展，人们在原有的基础之上对其进行完善和改进，从而扩展到土木工程施工中来，对混凝土的修复和加固工作有着十分重要的意义。

1.碳纤维复合材料的特点及力学性能

碳纤维是当前工程施工中的一种新型的施工材料。它具有良好的物理力学性能，这也是当前用途最广，性能最好的纤维材料。它在土木工程结构当中，有着极强的补强作用，可以对混凝土结构进行合理有效的修复和加固，从而提高土木工程的结构强度。目前，由于我国的碳纤维生产技术比较落后，因此在进行使用的时候，一般都是采用国外进口的碳纤维片。这种碳纤维片有很多种，其中比较常见的有：单向片、单向织布、双向织布等，这些也是我们工程施工中常用到的施工材料。

当前，在土木工程中应用的最为广泛的碳纤维复合材料就是碳纤维增强塑料，这种材料在制作过程中，对其物理力学性能有着十分严格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有着相应的施工指标。

碳纤维增强塑料的质地比较轻，而强度比较高，经相关测试，碳纤维增强塑料的结构强度要超过普通施工钢材的好几十倍。而且它本身具有的弹性模量和建筑施工钢材相比，碳纤维增强弹性模量更强，耐久性和耐腐蚀性也比一般的建筑施工材料要强。由此可见，这种碳纤维复合材料，有着极强的物理力学性能，有利于土木工程结构的加固与修复，极大程度上保障土木工程的质量。

2.碳纤维增强塑料在土木工程中的应用现状

2.1国外应用现状

目前在工程施工中，人们也开始尝试着将碳纤维材料加入到混凝土当中，从而制成碳纤维混凝土，应用到工程项目当中，并且取得了不错的效果。这种主要是将碳纤维的长丝制作成和钢筋一样的棒材，在混凝土施工中，将其用来代替钢筋，从而形成一种新型的结构材料，这种碳纤维混凝土主要用在一些大型工程结构建设当中。而且在大型的土木工程建设的时候，人们将碳纤维材料加工成绳状，将其作为工程施工的拉索结构，不过这种方法并没有对锚具连接的问题进行很好的解决，但是在土方工程施工中，仍然在应用。而碳纤维混凝土在混凝土工程施工建设中强度比较高，而且具有极强的耐久性和耐腐蚀性，这也对混凝土的开裂现象进行了有效的控制，从而提高了土木工程的施工质量。

在上个世纪80年代，发达国家就已经开始将碳纤维材料应用到混凝土结构当中，从而增强混凝土的物理力学性能，并且在90年代初期，发达国家就将其碳纤维混凝土材料广泛的应用到各个工程施工领域当中，而且更具碳纤维优异的物理力学性能，使的许多工程设施的结构质量都有着大幅度的提高。目前，国外发达国家不但将碳纤维施工技术应用到各个领域，还对其施工生产技术掌握得十分成熟，而且现在有许多施工单位将这种碳纤维施工材料，应用到了土木工程当中，并且为社会建设提供了良好的条件。

2.2国内应用现状

碳纤维加固修补混凝土结构技术在我国起步较晚，但最近几年系统地对碳纤维用于加固修补混凝土结构技术的研究也呈现不断发展的趋势，最初仅有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心一个单位，相继有清华大学、同济大学、天津大学、东南大学、大连理工大学等十余家高等学校和科研设计单位尝试地进行过国产和进口碳纤维织物加固混凝土构件主要包括板、梁、柱等的模型实验、加固施工工艺及加固性能评价等方面的研究，已经取得了实质性成果，并在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到具体的应用，收到了良好的效果，现在部分单位着手从事纤维增强材料加固混凝土结构规范的研究。该课题已列入建设部研究开发课题及国家科技部“九五”重点攻关课题。目前这项工作还处于刚刚起步阶段。自1997年5月，国家工程中心已制作了一些试件，分为20余个工况，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。

3.目前存在的问题

3.1力学研究方面存在的问题

碳纤维加固混凝土结构的技术是得到国际上普遍认同的开发热点，其力学研究已经取得了很大的进展，然而，截止目前这方面工作还存在一些问题：（1）尽管对加固结构的力学性能进行了一些试验研究，但是系统的理论分析和数值计算研究却很有限。而这对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的。（2）碳纤维加强混凝土结构的破坏模式，如钢筋屈服-碳纤维断裂破坏、钢筋屈服-混凝土压碎、混凝土受压破坏和碳纤维板于混凝土面的黏结破坏等各类破坏特性，尚需深入研究。（3）尽管对碳纤维加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺。（4）有关疲劳和抗震性能的研究不足，这对于评价加固结构的综合性能，预测其二次寿命至关重要。（5）碳纤维加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。

3.2尚待解决的技术关键

材料的国产化问题。尽管国外已有多种定型的碳纤维材料产品，但国内的大规模开发应用不能完全依赖于进口产品，从降低成本及发展民族工业来讲，国产化是必须的条件，目前国内的PAN基碳纤维强度一般在2000～3000Mpa之间，弹性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本满足加固要求，但在预浸料的生产和加工成品的质量方面仍有较大的欠缺，均匀性也较差。因此材料的国产化问题是一个关键问题。

碳纤维加固修补使用的技术方面的问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。

不过自碳纤维加固修复混凝土结构技术研究开发成功后，给土木建筑领域加固改造技术带来重大变革，采用碳纤维加固修复混凝土结构技术将比以往从传统的技术更优越、更有效率和更方便经济，可以解决传统的加固方法不能解决的技术问题，具有重大的经济和社会效益。碳纤维加固修复混凝土结构技术研究开发成功，将为碳纤维材料及其它高性能纤维材料应用于建筑业打下深厚的基础，开辟了新的产业途径。

4.结束语

由此可见，碳纤维复合材料由于具有优异的特性，在土木工程中得到的广泛的应用。它不但对土木工程中的混凝土结构有着良好的加固修复功能，延长了混凝土结构的使用寿命，还极大程度上推动了土木工程的发展，为是我国的经济建设打下了扎实基础。

【参考文献】

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