CFRP發展及土木工程應用現狀

柏格文　蘭滔

摘要：簡要介紹了CFRP的制造工藝和發展，并與鋼材和GFRP的性能進行對比。著重歸納CFRP在土木工程中的應用方向，包括加固修復和制造拉索等，最后總結目前CFRP亟待解決的幾個問題。

關鍵詞：CFRP；土木工程；加固修復

1 發展

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）是碳纖維增強的聚合物基質復合材料的統稱。用于制造CFRP的泛用基質材料是熱固性材料（如環氧樹脂），聚酯和尼龍（聚酰胺）等，通常根據不同的性能需求選擇制造方法。其中應用較多的為PAN基CFRP，該種方法首先使用化學和機械方法將前體紡成長絲紗線，即在200°C下從聚丙烯腈前體拉伸并熱氧化，使長絲保持張力；隨后使其碳化，以高溫促使氧、氮等元素揮發。除此以外還有瀝青基碳纖維，其長絲由瀝青或煤焦油紡制而成。

與鋼材和GFRP（Glass-Fiber Reinforced Plastic）相比，CFRP具有極其優異的物理和力學性能，詳見表1[1～2]。CFRP片材層壓架構使其在橫縱雙向的力學性能得到強化。由于石墨化特性，CFRP呈現明顯的化學惰性，其失效方式多為纖維脆性破壞，表現為微觀上碳纖維和聚合物基體的分離及宏觀上片材間的剝離。疲勞性能也是CFRP的強度設計主要關注點之一，鄭云（2007）等人對CFRP板加固開裂鋼板進行研究[3]，采用剩余疲勞壽命作為主要控制條件，結果表明加固后疲勞壽命達原先的2.6倍-5.5倍，與實驗結果較吻合，驗證了疲勞損傷條件的重要性。因此在循環加載作用下，CFRP局部結構需采用合適的安全系數來保障整體結構的可靠度。

1950年，美國賴特-帕特森空軍基地率先進行了CFRP性能開發及應用；1959年，美國聯合碳化物公司發布了商業化CFRP產品。隨著技術成熟CFRP材料也逐步滲透到民用領域，已廣泛應用于有輕便高強需求的構件當中，例如無人駕駛飛機機體和螺旋槳葉片、游艇和船舶建造、高端體育用品以及賽車的輕量化構件等。采用CFRP的高爾夫球棒，可減重30%以上，且具有良好的阻尼特性；用CFRP制造的賽車車身和底盤，可以降低高達7成的整備質量。

2 土木工程應用

近年來，如何充分利用新材料CFRP的優異性能成為了研究的熱點，高達4000kN·m/kg的比強度和良好的耐腐蝕性為其在民用工程中的價值奠定了基礎。目前，CFRP在土木工程中的應用主要有以下幾個方面：

⑴舊結構的加固修復和改造。目前土木工程CFRP在此方向應用最多。由于在土木工程中重建或替換缺陷部位結構的成本和環境影響等遠大于改造，所以后者在市場中具有很強的競爭力。CFRP能夠很好地契合舊結構（如已建橋梁和隧道）的承載需求，修理損壞的結構以提高承載能力，包括混凝土裂縫、鋼材缺陷[3]等，并減緩缺陷部位的疲勞損傷。張寧（2004）等人用碳纖維布加固十字形試件的K形坡口焊縫，得到的疲勞壽命比原件高出318%，文章指出碳纖維承擔了原焊趾的部分應力，彌補了焊趾的疲勞損傷[4]。

⑵替代鋼材的拉索材料。國內首座CFRP索斜拉橋位于江蘇大學，采用直筒+內錐式錨具，張拉測試結果與計算值基本吻合，實現了CFRP索設計和施工工藝的創新[2]。根據斜拉橋的設計原理，隨著跨徑的增大拉索與橋面板夾角減小，因而鋼絞線的極限承載跨徑在4000m左右。對于跨徑更大或環境腐蝕較嚴重的拉索，以及有輕量化要求的橋梁工程中，CFRP具有充分優勢。

⑶約束混凝土柱及抗震加固。采用CFRP約束的混凝土柱呈現較為均勻的三向應力作用，減少了致命裂縫的產生且提高了受壓破壞時的延性。魏洋（2007）等人用CFRP加固混凝土短方柱[5]，隨著CFRP用量增加，混凝土柱逐漸由剪切脆性變化變為彎曲延性破壞。雖然仍存在CFRP切面剪斷和角部拉斷現象，但顯著提高了抗剪切能力，是較為理想的抗震加固材料之一。

⑷結構局部強度強化。用CFRP包覆的鋼筋混凝土結構強度能得到極大提升，斷面強度提升率可高達100%以上[1]，而對原本的結構剛度影響極小。如細CFRP芯可以顯著提高小截面的強度而對整體剛度影響甚微。

3 結語

CFRP正常工作的條件是聚合物必須與纖維保持良好的粘結強度，一旦出現粘結失效則CFRP結構會產生脆性破壞，而鋼材是延性破壞。在CFRP作為新材料應用于土木工程時，必須考慮結構的破壞性質，可以是對CFRP進行改性，或采用韌性更好的基體。同時，由于CFRP采用了樹脂材料，反復熱變環境中的水穩定性有待商榷。此外，CFRP的高成本仍然是市場化的主要問題。因而CFRP應用的發展離不開更多研究和改進、相應規范的建立和完善。

參考文獻：

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

[2] 呂志濤， 梅葵花. 國內首座CFRP索斜拉橋的研究[J]. 土木工程學報， 2007， 40（1）： 54-59

[3] 鄭云， 葉列平， 岳清瑞. CFRP板加固含裂紋受拉鋼板的疲勞性能研究[J]. 工程力學， 2007， 24（6）： 91-97

[4] 張寧， 岳清瑞， 楊勇新， 等. 碳纖維布加固鋼結構疲勞試驗研究[J]. 工業建筑， 2004， 34（4）： 19-30

[5] 魏洋， 吳剛， 吳智深， 等. CFRP加固混凝土短方柱抗震性能試驗研究[J]. 工程抗震與加固改造， 2007， 29（1）： 33-38