碳纖維復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施和土木建筑中的應(yīng)用分析

【摘 要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，土木建筑工程規(guī)模及數(shù)量不斷增加，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型的材料，由于具有密度低、強(qiáng)度大、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施工程里得到了較為廣泛的應(yīng)用，本文就碳纖維復(fù)合材料在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑里的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】碳纖維復(fù)合材料CFRP；基礎(chǔ)設(shè)施；土木建筑；應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料可簡(jiǎn)稱(chēng)為CFRP，具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐輻射及耐紫外線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，CFRP由于比其他復(fù)合材料更占據(jù)優(yōu)勢(shì)，獲得較好的發(fā)展及應(yīng)用，其最初僅應(yīng)用在軍事、航天及船舶工程里，隨著應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，也被廣泛應(yīng)用在了基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程的建設(shè)當(dāng)中，CFRP在我國(guó)土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施方面研究及應(yīng)用是比較晚的，大約在1996年左右才開(kāi)始的，現(xiàn)在研究及應(yīng)用大多集中在片材加固及混凝土修復(fù)方面，并且在這方面的理論及技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。

一、CFRP材料在土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施里的特點(diǎn)

CFRP材料在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑的應(yīng)用主要具有下列特點(diǎn)，一是CFRP材料具有可設(shè)計(jì)性，當(dāng)纖維復(fù)合材料或者CFRP作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行應(yīng)用的時(shí)候，因?yàn)槭窃鰪?qiáng)材料及基體材料組合，不僅能夠保持原來(lái)分材料一些特點(diǎn)，在組合之后，還能發(fā)揮組合之后的一些新特性，可依據(jù)結(jié)構(gòu)的需要來(lái)設(shè)計(jì)，從而滿(mǎn)足單一材料所無(wú)法滿(mǎn)足的一些性能要求；二是CFRP具有高強(qiáng)度及輕質(zhì)特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度比較高，與普通鋼筋相比，順纖維方向的抗拉強(qiáng)度要大得多，當(dāng)然其均勻性要比鋼材要稍微差一些，并且各向異性，使得抗剪及抗多軸向力的強(qiáng)度也要低一些，其質(zhì)量非常的輕，密度僅是鋼材密度的1/5，在施工安裝的時(shí)候是比較方便的；三是抗疲勞性及耐腐蝕性能比較好，通常鋼筋等金屬疲勞強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的50%左右，可纖維復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度一般是拉伸強(qiáng)度70%以上，具有較好的抗疲勞功能，一般建筑材料，像鋼筋等是不耐腐蝕的，特別是在近海工程里，容易和周?chē)諝?、化學(xué)物質(zhì)及海水等發(fā)生反應(yīng)，讓基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及土木建筑工程無(wú)法有效發(fā)揮出應(yīng)有作用，造成較大損失，像CFRP等纖維復(fù)合材料具有比較好的耐腐蝕性能，用CFRP材料所制成設(shè)備及構(gòu)件具有較好耐堿、酸及鹽等化學(xué)物質(zhì)侵蝕；四是抗震性能及安全性能比較好，CFRP材料和原有建筑材料相比，自振頻率比較高，不會(huì)出現(xiàn)共振情況，并且在加載頻率及速度之下，基本上不會(huì)出現(xiàn)由于共振產(chǎn)生快速斷裂的情況，并且在纖維復(fù)合材料里，具有較多獨(dú)立纖維如果復(fù)合材料承載過(guò)量也不會(huì)馬上發(fā)生纖維斷裂，即使有少量的纖維斷裂，也會(huì)吧載荷重新分配到其他沒(méi)有被損壞纖維上面，從而防止基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程構(gòu)件瞬間失去承載能力產(chǎn)生斷裂；五是具有較強(qiáng)美學(xué)欣賞可塑性，CFRP材料是比較柔軟的，產(chǎn)品形狀基本上不受限制，能夠任意著色，把結(jié)構(gòu)形式及材料美學(xué)進(jìn)行結(jié)合統(tǒng)一。

二、CFRP材料在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑里的應(yīng)用

1. CFRP能夠增強(qiáng)混凝土應(yīng)用

在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑里，混凝土均是不可缺少的應(yīng)用材料，并且使用量非常大，通常使用鋼筋增加強(qiáng)度，可鋼筋自身一般具有容易受到酸堿作用的腐蝕，也會(huì)對(duì)混凝土造成一定破壞，這就需要尋找新型混凝土產(chǎn)品，在這種情形下，纖維混凝土應(yīng)運(yùn)而生，它是對(duì)混凝土創(chuàng)新，最早所使用的是玻璃纖維、鋼纖維及維綸來(lái)增強(qiáng)混凝土，現(xiàn)在一般是運(yùn)用CFRP材料來(lái)增強(qiáng)混凝土。纖維材料自身具有模量、強(qiáng)度、斷裂長(zhǎng)度及空間結(jié)構(gòu)等決定了混凝土性能，運(yùn)用CFRP材料能夠增強(qiáng)混凝土的拉伸強(qiáng)度、防裂性能及抗彎強(qiáng)度，能夠用作裝飾材料，也可以用作護(hù)墻板、墻板及主體建筑物等。原有混凝土結(jié)構(gòu)具有劣化及腐蝕等問(wèn)題，尤其是鋼材銹蝕是最常見(jiàn)的，并且還會(huì)發(fā)生安全事故，后來(lái)使用了鋼纖維，可鋼纖維具有成本高及容易腐蝕的問(wèn)題，其應(yīng)用是比較有限的，后來(lái)玻璃纖維拉伸強(qiáng)度要比鋼筋優(yōu)越的多，并且重量也僅是鋼筋重量的1/4，受到海水及水泥侵蝕程度要遠(yuǎn)比鋼筋低得多，可玻璃纖維具有容易折斷及不耐堿的特點(diǎn)，并且應(yīng)用具有污染性，而碳纖維具有高強(qiáng)度、低密度及高硬度等特點(diǎn)，并且彈性模量及抗拉強(qiáng)度均比較高，還能導(dǎo)磁導(dǎo)電、耐高溫、耐磨損、耐惡劣環(huán)境且能和混凝土良好粘結(jié)，使得CFRP混凝土得到了較為廣泛應(yīng)用，當(dāng)然由于碳纖維具有導(dǎo)磁導(dǎo)電特點(diǎn)，有些建筑是不能應(yīng)用的，像日本學(xué)者就運(yùn)用纖維氈當(dāng)作吸附電磁波功能的組分，進(jìn)行輕質(zhì)及防震功能幕墻，這種CFRP材料不僅能夠屏蔽電磁波，還能夠運(yùn)用交通智能系統(tǒng)的應(yīng)用，CFRP材料諸多優(yōu)點(diǎn)使得它在土木建筑及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)里備受青睞。

2. CFRP在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料里的應(yīng)用

CFRP材料主要應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)材料里，原有補(bǔ)強(qiáng)材料主要是鋼板，具有自重大、易老化、耐腐蝕差及施工不方便等缺點(diǎn)，現(xiàn)在所應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)材料一般是CFRP材料，一般比較適合鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)變更、強(qiáng)度不足、存有裂縫及荷重增加等加固的修補(bǔ)工程里，和原有粘鋼板技術(shù)比較，這種CFRP加固技術(shù)具有高效高強(qiáng)、維護(hù)性能好、施工方便、質(zhì)量高、適用廣及智能化等優(yōu)點(diǎn)，其具體表現(xiàn)是CFRP本身具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，并且對(duì)原來(lái)結(jié)構(gòu)影響不大情況下，能夠有效提高加固構(gòu)件抗剪、抗彎及抗震等性能；而碳纖維的輕質(zhì)柔性特點(diǎn)，能夠手工纏繞混凝土表面，不需要運(yùn)用大型的機(jī)具，更不需要五十作業(yè)及焊接，并且噪聲和灰塵也很?。黄浞雷o(hù)及維護(hù)性能比較好是由于碳纖維具有較好的耐久性能及耐腐蝕性能，能夠抵抗各類(lèi)堿鹽酸造成結(jié)構(gòu)物腐蝕，并且運(yùn)用這種加固技術(shù)處理之后，不用定期維護(hù)，自身就對(duì)混凝土內(nèi)部起到保護(hù)作用；其片材柔軟的特點(diǎn)，能夠?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)及類(lèi)型建筑物給予修補(bǔ)，以達(dá)到不用改變結(jié)構(gòu)的形式及結(jié)構(gòu)外觀效果情況下完成修補(bǔ)，適用面是非常廣的；并且還能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，CFRP片材做成的加固材料，能夠依據(jù)加固修復(fù)位置的導(dǎo)電性能情況，來(lái)安全檢查及診斷此部位的情況，像瑞士就運(yùn)用這種復(fù)合材料，對(duì)跨長(zhǎng)39m伊巴赫橋損壞的加固，讓其滿(mǎn)足了需要承載能力要求。

3. CFRP應(yīng)用存在一些問(wèn)題

CFRP在基礎(chǔ)設(shè)施及土木建筑工程里，得到了較為廣泛應(yīng)用，可是依然存在一些問(wèn)題，像CFRP在加固混凝土方面取得了較大成就，可在加固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面還不是很完善，數(shù)值計(jì)算及理論分析研究比較有限，對(duì)于加強(qiáng)混凝土破壞模式方面研究不是很深入，有關(guān)加強(qiáng)構(gòu)建剛度、彎曲及剪切延性等給予了關(guān)注研究及應(yīng)用，可綜合因素所造成加固材料數(shù)量、登記及施工工藝方面影響還是有些欠缺的。我國(guó)PAN碳纖維強(qiáng)度通常在2000-3000Mpa間，其彈性的模量為2100000Mpa上下，這個(gè)性能能夠滿(mǎn)足加固的要求，可預(yù)浸料生產(chǎn)及加工的成品質(zhì)量還存在比較大的欠缺，使其材料國(guó)產(chǎn)化是個(gè)比較關(guān)鍵的問(wèn)題，并且加固技術(shù)方面還缺少較為完善國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制度，需要制定自己標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)施工指南，讓建筑工程開(kāi)展更具有規(guī)范性及可依靠標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束語(yǔ)：

隨著建筑工程規(guī)模及數(shù)量不斷增大，CFRP材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)外雖有較多碳纖維產(chǎn)品，可我國(guó)大規(guī)模開(kāi)發(fā)及應(yīng)用不能完全依賴(lài)進(jìn)口，要想降低成本和發(fā)展民族工業(yè)，就需要加強(qiáng)CFRP材料的國(guó)產(chǎn)化，并且不斷加強(qiáng)CFRP材料研究及建筑工程應(yīng)用，讓CFRP材料真正發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn)，降低建筑工程成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

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