CFRP发展及土木工程应用现状

柏格文　兰滔

摘要：简要介绍了CFRP的制造工艺和发展，并与钢材和GFRP的性能进行对比。着重归纳CFRP在土木工程中的应用方向，包括加固修复和制造拉索等，最后总结目前CFRP亟待解决的几个问题。

关键词：CFRP；土木工程；加固修复

1 发展

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）是碳纤维增强的聚合物基质复合材料的统称。用于制造CFRP的泛用基质材料是热固性材料（如环氧树脂），聚酯和尼龙（聚酰胺）等，通常根据不同的性能需求选择制造方法。其中应用较多的为PAN基CFRP，该种方法首先使用化学和机械方法将前体纺成长丝纱线，即在200°C下从聚丙烯腈前体拉伸并热氧化，使长丝保持张力；随后使其碳化，以高温促使氧、氮等元素挥发。除此以外还有沥青基碳纤维，其长丝由沥青或煤焦油纺制而成。

與钢材和GFRP（Glass-Fiber Reinforced Plastic）相比，CFRP具有极其优异的物理和力学性能，详见表1[1～2]。CFRP片材层压架构使其在横纵双向的力学性能得到强化。由于石墨化特性，CFRP呈现明显的化学惰性，其失效方式多为纤维脆性破坏，表现为微观上碳纤维和聚合物基体的分离及宏观上片材间的剥离。疲劳性能也是CFRP的强度设计主要关注点之一，郑云（2007）等人对CFRP板加固开裂钢板进行研究[3]，采用剩余疲劳寿命作为主要控制条件，结果表明加固后疲劳寿命达原先的2.6倍-5.5倍，与实验结果较吻合，验证了疲劳损伤条件的重要性。因此在循环加载作用下，CFRP局部结构需采用合适的安全系数来保障整体结构的可靠度。

1950年，美国赖特-帕特森空军基地率先进行了CFRP性能开发及应用；1959年，美国联合碳化物公司发布了商业化CFRP产品。随着技术成熟CFRP材料也逐步渗透到民用领域，已广泛应用于有轻便高强需求的构件当中，例如无人驾驶飞机机体和螺旋桨叶片、游艇和船舶建造、高端体育用品以及赛车的轻量化构件等。采用CFRP的高尔夫球棒，可减重30%以上，且具有良好的阻尼特性；用CFRP制造的赛车车身和底盘，可以降低高达7成的整备质量。

2 土木工程应用

近年来，如何充分利用新材料CFRP的优异性能成为了研究的热点，高达4000kN·m/kg的比强度和良好的耐腐蚀性为其在民用工程中的价值奠定了基础。目前，CFRP在土木工程中的应用主要有以下几个方面：

⑴旧结构的加固修复和改造。目前土木工程CFRP在此方向应用最多。由于在土木工程中重建或替换缺陷部位结构的成本和环境影响等远大于改造，所以后者在市场中具有很强的竞争力。CFRP能够很好地契合旧结构（如已建桥梁和隧道）的承载需求，修理损坏的结构以提高承载能力，包括混凝土裂缝、钢材缺陷[3]等，并减缓缺陷部位的疲劳损伤。张宁（2004）等人用碳纤维布加固十字形试件的K形坡口焊缝，得到的疲劳寿命比原件高出318%，文章指出碳纤维承担了原焊趾的部分应力，弥补了焊趾的疲劳损伤[4]。

⑵替代钢材的拉索材料。国内首座CFRP索斜拉桥位于江苏大学，采用直筒+内锥式锚具，张拉测试结果与计算值基本吻合，实现了CFRP索设计和施工工艺的创新[2]。根据斜拉桥的设计原理，随着跨径的增大拉索与桥面板夹角减小，因而钢绞线的极限承载跨径在4000m左右。对于跨径更大或环境腐蚀较严重的拉索，以及有轻量化要求的桥梁工程中，CFRP具有充分优势。

⑶约束混凝土柱及抗震加固。采用CFRP约束的混凝土柱呈现较为均匀的三向应力作用，减少了致命裂缝的产生且提高了受压破坏时的延性。魏洋（2007）等人用CFRP加固混凝土短方柱[5]，随着CFRP用量增加，混凝土柱逐渐由剪切脆性变化变为弯曲延性破坏。虽然仍存在CFRP切面剪断和角部拉断现象，但显著提高了抗剪切能力，是较为理想的抗震加固材料之一。

⑷结构局部强度强化。用CFRP包覆的钢筋混凝土结构强度能得到极大提升，断面强度提升率可高达100%以上[1]，而对原本的结构刚度影响极小。如细CFRP芯可以显著提高小截面的强度而对整体刚度影响甚微。

3 结语

CFRP正常工作的条件是聚合物必须与纤维保持良好的粘结强度，一旦出现粘结失效则CFRP结构会产生脆性破坏，而钢材是延性破坏。在CFRP作为新材料应用于土木工程时，必须考虑结构的破坏性质，可以是对CFRP进行改性，或采用韧性更好的基体。同时，由于CFRP采用了树脂材料，反复热变环境中的水稳定性有待商榷。此外，CFRP的高成本仍然是市场化的主要问题。因而CFRP应用的发展离不开更多研究和改进、相应规范的建立和完善。

参考文献：

[1] Vectran Fiber， Inc. Vectran Tensile Properties[EB/OL]. http：//www.vectranfiber.com/properties/tensile-properties/.

[2] 吕志涛， 梅葵花. 国内首座CFRP索斜拉桥的研究[J]. 土木工程学报， 2007， 40（1）： 54-59

[3] 郑云， 叶列平， 岳清瑞. CFRP板加固含裂纹受拉钢板的疲劳性能研究[J]. 工程力学， 2007， 24（6）： 91-97

[4] 张宁， 岳清瑞， 杨勇新， 等. 碳纤维布加固钢结构疲劳试验研究[J]. 工业建筑， 2004， 34（4）： 19-30

[5] 魏洋， 吴刚， 吴智深， 等. CFRP加固混凝土短方柱抗震性能试验研究[J]. 工程抗震与加固改造， 2007， 29（1）： 33-38