黎發(fā)勇

【摘 要】由于碳纖維復(fù)合材料具有良好的物理力學(xué)性能，因此目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域當(dāng)中，并且都取得了不錯的效果。本文對碳化學(xué)纖維復(fù)合材料的特點以及力學(xué)性能進(jìn)行簡要介紹，討論了碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對目前存在的問題進(jìn)行了分析，以供相關(guān)人士參考。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；混凝土結(jié)構(gòu)；加固

碳纖維復(fù)合材料包含的方面又很多，其中主要有碳纖維、芳綸纖維以及玻璃纖維等，這些都是我們生活中經(jīng)常用到的，而且它們都具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特點。因此在80年代初，人們也將其作為主要的工程施工材料廣泛的應(yīng)用在工程施工中。碳纖維材料起初主要用于軍事、航天、船舶等工程當(dāng)中，并且取得了不錯的效果，后來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在原有的基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行完善和改進(jìn)，從而擴(kuò)展到土木工程施工中來，對混凝土的修復(fù)和加固工作有著十分重要的意義。

1.碳纖維復(fù)合材料的特點及力學(xué)性能

碳纖維是當(dāng)前工程施工中的一種新型的施工材料。它具有良好的物理力學(xué)性能，這也是當(dāng)前用途最廣，性能最好的纖維材料。它在土木工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，有著極強的補強作用，可以對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理有效的修復(fù)和加固，從而提高土木工程的結(jié)構(gòu)強度。目前，由于我國的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)比較落后，因此在進(jìn)行使用的時候，一般都是采用國外進(jìn)口的碳纖維片。這種碳纖維片有很多種，其中比較常見的有：單向片、單向織布、雙向織布等，這些也是我們工程施工中常用到的施工材料。

當(dāng)前，在土木工程中應(yīng)用的最為廣泛的碳纖維復(fù)合材料就是碳纖維增強塑料，這種材料在制作過程中，對其物理力學(xué)性能有著十分嚴(yán)格的要求，而且在施工性和耐久性方面也有著相應(yīng)的施工指標(biāo)。

碳纖維增強塑料的質(zhì)地比較輕，而強度比較高，經(jīng)相關(guān)測試，碳纖維增強塑料的結(jié)構(gòu)強度要超過普通施工鋼材的好幾十倍。而且它本身具有的彈性模量和建筑施工鋼材相比，碳纖維增強彈性模量更強，耐久性和耐腐蝕性也比一般的建筑施工材料要強。由此可見，這種碳纖維復(fù)合材料，有著極強的物理力學(xué)性能，有利于土木工程結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)，極大程度上保障土木工程的質(zhì)量。

2.碳纖維增強塑料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1國外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前在工程施工中，人們也開始嘗試著將碳纖維材料加入到混凝土當(dāng)中，從而制成碳纖維混凝土，應(yīng)用到工程項目當(dāng)中，并且取得了不錯的效果。這種主要是將碳纖維的長絲制作成和鋼筋一樣的棒材，在混凝土施工中，將其用來代替鋼筋，從而形成一種新型的結(jié)構(gòu)材料，這種碳纖維混凝土主要用在一些大型工程結(jié)構(gòu)建設(shè)當(dāng)中。而且在大型的土木工程建設(shè)的時候，人們將碳纖維材料加工成繩狀，將其作為工程施工的拉索結(jié)構(gòu)，不過這種方法并沒有對錨具連接的問題進(jìn)行很好的解決，但是在土方工程施工中，仍然在應(yīng)用。而碳纖維混凝土在混凝土工程施工建設(shè)中強度比較高，而且具有極強的耐久性和耐腐蝕性，這也對混凝土的開裂現(xiàn)象進(jìn)行了有效的控制，從而提高了土木工程的施工質(zhì)量。

在上個世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始將碳纖維材料應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，從而增強混凝土的物理力學(xué)性能，并且在90年代初期，發(fā)達(dá)國家就將其碳纖維混凝土材料廣泛的應(yīng)用到各個工程施工領(lǐng)域當(dāng)中，而且更具碳纖維優(yōu)異的物理力學(xué)性能，使的許多工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)質(zhì)量都有著大幅度的提高。目前，國外發(fā)達(dá)國家不但將碳纖維施工技術(shù)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，還對其施工生產(chǎn)技術(shù)掌握得十分成熟，而且現(xiàn)在有許多施工單位將這種碳纖維施工材料，應(yīng)用到了土木工程當(dāng)中，并且為社會建設(shè)提供了良好的條件。

2.2國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

碳纖維加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國起步較晚，但最近幾年系統(tǒng)地對碳纖維用于加固修補混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究也呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢，最初僅有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心一個單位，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)計單位嘗試地進(jìn)行過國產(chǎn)和進(jìn)口碳纖維織物加固混凝土構(gòu)件主要包括板、梁、柱等的模型實驗、加固施工工藝及加固性能評價等方面的研究，已經(jīng)取得了實質(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)部研究開發(fā)課題及國家科技部“九五”重點攻關(guān)課題。目前這項工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國家工程中心已制作了一些試件，分為20余個工況，取得了構(gòu)件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價值的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行了多項工程的試點與推廣。相信碳纖維增強材料在國內(nèi)將有廣闊的發(fā)展前景。

3.目前存在的問題

3.1力學(xué)研究方面存在的問題

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是得到國際上普遍認(rèn)同的開發(fā)熱點，其力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，然而，截止目前這方面工作還存在一些問題：（1）盡管對加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了一些試驗研究，但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計算研究卻很有限。而這對于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術(shù)是必不可少的。（2）碳纖維加強混凝土結(jié)構(gòu)的破壞模式，如鋼筋屈服-碳纖維斷裂破壞、鋼筋屈服-混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和碳纖維板于混凝土面的黏結(jié)破壞等各類破壞特性，尚需深入研究。（3）盡管對碳纖維加強構(gòu)件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進(jìn)行了實驗研究，但有關(guān)它們的綜合因素對加固材料的登記、數(shù)量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。（4）有關(guān)疲勞和抗震性能的研究不足，這對于評價加固結(jié)構(gòu)的綜合性能，預(yù)測其二次壽命至關(guān)重要。（5）碳纖維加強構(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

材料的國產(chǎn)化問題。盡管國外已有多種定型的碳纖維材料產(chǎn)品，但國內(nèi)的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用不能完全依賴于進(jìn)口產(chǎn)品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來講，國產(chǎn)化是必須的條件，目前國內(nèi)的PAN基碳纖維強度一般在2000～3000Mpa之間，彈性模量在2.1x105Mpa左右，其性能基本滿足加固要求，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。因此材料的國產(chǎn)化問題是一個關(guān)鍵問題。

碳纖維加固修補使用的技術(shù)方面的問題，這主要體現(xiàn)在國內(nèi)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的制定上，盡管國外一些國家已有了較完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，但并不適合我國，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、加固設(shè)計、計算、工程施工與驗收的一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。

不過自碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(fā)成功后，給土木建筑領(lǐng)域加固改造技術(shù)帶來重大變革，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)問題，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。碳纖維加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)研究開發(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)，開辟了新的產(chǎn)業(yè)途徑。

4.結(jié)束語

由此可見，碳纖維復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的特性，在土木工程中得到的廣泛的應(yīng)用。它不但對土木工程中的混凝土結(jié)構(gòu)有著良好的加固修復(fù)功能，延長了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，還極大程度上推動了土木工程的發(fā)展，為是我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)打下了扎實基礎(chǔ)。

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