浅谈碳纤维材料在土木工程中的应用

浅谈碳纤维材料在土木工程中的应用

浅谈碳纤维材料在土木工程中的应用

摘要：碳纤维复合材料（CFRP）作为一种新型材料，有着优良的物理特力学性能。近年来在土木工程中的应用越来越广泛。综述了CFRP的发展历程及主要研究成果。

关键词：碳纤维材料特性土木工程

1、碳纤维复合材料（CFRP）的发展历程

纤维增强聚合物复合材料FRP（Fiber Reinforced Polymer）问世于20世纪40年代。CFRP最开始由美国制造。1950年，美国空军基地在2 000℃高温下牵引人造丝得到CFRP。1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基CFRP；1962年，日本碳素公司实现低模量聚丙烯腈基CFRP的工业化生产；1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈基CFRP；1965年日本群马大学试制造出沥青或木质素为原料的通用型CFRP； 1969年，日本大谷杉郎从特殊的共聚PAN中生产出高强、高弹模的芳香族聚酰胺纤维；1970年，日本吴羽化学公司实现沥青基纤维的工业规模生产；1972年，美国杜邦公司生产出密度1.2～1.5 t/m3强度达3 000 MPa的Aramid（阿拉米德） CFRP；1980年美国金刚砂公司研制出酚醛纤维为原丝的活性碳纤维并投放市场；1996年全世界碳纤维总生产量已达17 000 t，其中聚丙烯腈基纤维占85%，其余是沥青基纤维。2002年世界聚丙烯腈基碳纤维的生产能力约为3.1万t，其中75%是小丝束碳纤维，25%是大丝束碳纤维。碳纤维材料主要由日本生产，美国其次.其他国家产量很少。

2、碳纤维在土木工程中的应用研究现状

2.1 国外的应用研究状况

CFRP材料首先应用于航天工业，这项技术在20世纪70年代已趋于成熟。在土木工程中的应用始于20世纪60年代的美国。但当时试验结果不理想，而且价格很高，所以在其后的二十多年里，FRP材料在土木领域的研究与应用没有得到很大的发展。在土木工程中的应

用研究直到80年代初才开始重视，但相关的研究主要集中在欧美、日本和澳大利亚等国。应用范围多集中于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，其中桥梁方面应用较多。

1991年7月，瑞士联邦材料测试研究所首次在总长228 m的多跨连续箱型梁桥（Ibach桥）进行了碳纤维加固试验并获得了成功。20世纪90年代国际上对碳纤维材料在土木工程中的应用进行了广泛和系统的研究，尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中首先得到了广泛应用.有些发达国家已编写了相关的设计，施工规程，指南和手册。1997年英国至少在30座桥梁和结构物中采用CFRP加固和修补技术。美国和加拿大的盐害较严重，约有60万座桥梁受害，需要加固和修复。美国混凝土协会（ACI）已经成立了专门委员会（ACI440），在美国很多机构开始CFRP的应用研究；加拿大也已经建立了相关的研究开发基地，并且编制CFRP的规程。日本在土木工程中应用CFRP已经有20多年的历史。

2.2 国内的应用研究状况

我国对土木结构方面的CFRP研究起步比较晚，在1996年前后才开始[28].目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修复混凝土结构。最初只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心进行相关研究，后来清华大学、同济大学、湖南大学、哈尔滨工业大学等十余所高校相继开始，并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得实质性成果。直到1998年才有少量的工程开始应用。2000年 6月召开了“首届FRP混凝土结构学术交流会”。我国已编制并颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》。FRP国家规范正在编制中。

近年来，FRP的应用研究发展很快，我国已有部分企业开始生产GFRP和CFFP筋。在修复和加固混凝土结构方面，理论上已经比较成熟，技术上也日趋完善。

3、碳纤维作为结构材料的应用

（1）碳纤维筋。它是由多股连续纤维长丝，浸渍树脂基材料，经专用涂层敷设机制成线性预坯料，然后加捻合股制成坯绳，经特制的模具拉挤成型的复合材料。碳纤维筋的加工属于连续加工工艺，机

械化程度较高，性能稳定。碳纤维筋的强度比低碳钢高约90%，而重量仅为后者的1/5左右；碳纤维与混凝土的附着强度高达713MPa，高于钢绞线与混凝土2197MPa的附着强度；碳纤维筋具有良好的拉伸疲劳性能及耐腐蚀、抗冲击、柔性高和易于操作的性能，因此在桥梁、码头等易受腐蚀的结构中应用较多。碳纤维筋在80年代末开始应用于土木工程，目前在美国已经商品化。我国在这方面的研究较晚，但研究速度较快，已经做了大量试验，并正在制定相关的规范和标准。1996年美国建成了世界上第一座复合材料棒材增强混凝土桥。如泰勒大桥及Dintelhaven大桥等都采用了碳纤维筋，或是用于增强混凝土，或是用作预应力筋、预应力拉索等，使用至今效果很好。

（2）碳纤维增强水泥（CFRC）。在水泥及其制品中掺和一定量高性能碳纤维和高效外加剂，以有效控制水泥及其制品塑性收缩及早期裂纹，提高水泥及其制品的密实性，增加水泥及其制品后期强度。碳纤维增强砂浆和混凝土是研究的主要方向。增强水泥用碳纤维主要是短切碳纤维。按水泥制品的用途不同，同样可以将其分为结构材料和功能材料两类：①作为结构材料，碳纤维提高了水泥制品的抗拉、抗弯和抗冲击强度，改善了水泥制品的韧性及抗震性能，减缓了水泥制品损伤的发展，主要用于结构中的节点部位、桩的两端及大体积混凝土；②作为功能材料，碳纤维提高了混凝土的抗裂、防渗、耐温差、耐磨等性能，可用于恶劣环境下的防水及防腐蚀层。另外，碳纤维还可使水泥制品具有导电、防磁功能，制作成电磁屏蔽板及防静电地板等各种水泥纤维板。碳纤维增强水泥的研究始于20世纪80年代初，应用于80年代末。由于玻璃纤维和合成纤维的价格便宜，纤维增强水泥制品中碳纤维应用得还不多。广州新中国大厦、张家口煤气管道沟和国家黄金局地下金库工程的地下室底板大体积混凝土采用碳纤

维混凝土，抗裂性取得了很好的效果。

（3）碳纤维增强木材。用碳纤维包裹木材或将碳纤维片材铺设于木材的某个侧面或中间而形成的一种新型结构材料。无论是普通木材还是胶合木材都可以使用碳纤维进行增强。这种复合结构的形式灵活，并可以做成梁、板、柱等各种构件。利用速生木材和回收的木材重新加工，大幅度提高木材的结构性能，从而节约森林资源。碳纤维