國產碳纖維加固材料生產及應用現狀

戴邵雷 戴素江

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-7887

摘? 要：碳纖維加固材料是各類建筑維修加固補強的常用材料之一。碳纖維加固材料的生產工藝及種類繁多，對施工環境和施工的工法存在一些特殊的要求，同時受力方式與一般的各向同性材料有較大區別。本文分析了我國碳纖維原絲及碳纖維加固材料的生產情況，對比了國外相關產品的力學性能并分析了相關應用現狀，對我國碳纖維加固材料的材料水平及加固應用水平進行評價。另外對比了國外碳纖維加固材料應用及相關規范發展，提出了我國碳纖維加固材料的發展前景。

關鍵詞：碳纖維復合材料? 結構加固? 生產工藝? 材料性能

中圖分類號：TU746? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0067-04

Manufacturing and Applications of CFRP Strengthening Materials Produced in China

DAI Shaolei1? DAI Sujiang2

（1. Zhejiang College of Construction， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China; 2. Jinhua Polytechnic， Jinhua， Zhejiang Province， 321000 China）

Abstract： Carbon fiber reinforced polymer （CFRP） is one of the commonly used materials for building maintenance and reinforcement. The production technology and variety of carbon fiber reinforced materials are various， there are some special requirements for the construction environment and construction method， and the stress mode is quite different from the general isotropic materials. This paper analyzes the production situation of carbon fiber precursor and carbon fiber reinforced materials in China， compares the mechanical properties of foreign related products， analyzes the related application status， and evaluates the material level and reinforcement application level of carbon fiber reinforced materials in China. In addition， the application of carbon fiber reinforcement materials abroad and the development of relevant specifications are compared， and the development prospect of carbon fiber reinforcement materials in China is put forward.

Key Words： CFRP composite; Structural strengthening; CFRP manufacturing; Mechanical properties

據聯合國人居中心預測，2050年世界城市化水平將達到61%，發達國家城鎮化水平將達到90%，同時，大量老舊結構亟待修繕、改造和加固。住建部下發的《城鄉建設抗震防災“十三五”規劃》中，既有建筑的加固改造是抗震防災建設的重中之重，中國自21世紀以來已步入新建與改造并存的建筑時代。在加固改造工程中，碳纖維作為一種強度高、自重輕、耐腐蝕、施工便捷的結構加固材料在各類加固工程中已經擁有廣泛的應用。據統計，2019年我國建筑行業使用碳纖維原絲約3900t，其中80%以上用于老舊結構的加固維修。然而由于碳纖維制品的生產工藝及種類繁多，對施工環境及施工工法存在一些特殊的要求，錯誤的選擇碳纖維加固材料會帶來嚴重的后果。同時由于受力方式與一般的各項同性材料（如鋼材等）有較大區別，在加固工程中如何良好地運用碳纖維加固材料達到既定的承載力目標是現今研究的重點之一。

1? 碳纖維原絲的生產現狀

自1959年美國聯合碳化物公司UCC研制成功世界上最早的粘膠基碳纖維Thornel-25以來，碳纖維復合材料歷經60年發展，產生了以聚丙烯腈基（PAN基）為主的，包含瀝青基（MP）、粘膠基（VS）以及氣相生產碳纖維等多種生產工藝的各類碳纖維原絲。碳纖維原絲制作普遍采用高溫碳化工藝將有機纖維材料制成碳纖維絲束，以聚丙烯腈基碳纖維原絲為例[1]：先以丙烯腈聚合物紡絲制成聚丙烯腈纖維原絲;再對聚丙烯腈原絲進行預氧化、低溫碳化、高溫石墨化制成碳纖維絲;最后采用浸漬清洗及上漿的表面處理方法，清除原絲上附著的雜質，并引進極性或反應型官能團，利于后續樹脂等基材的復合作用。

目前國內結構加固領域所用碳纖維材料產品采用的碳纖維原絲以聚丙烯腈基為主。早期碳纖維原絲完全依賴于進口，直至21世紀初隨著我國工業化進程發展，以及國外產品的出口禁令等原因，逐漸催生了一批國產碳纖維原絲廠家，如威海光威、中復神鷹、中安信等具備生產較高品質碳纖維原絲的能力。國產化民用碳纖維原絲已可達對標日本toray生產的高強T800級、高模量M46級等的水平，國內外主要品牌的碳纖維原絲物理性能對比如表1所示。

2? 碳纖維加固材料的生產與應用現狀

2.1 碳纖維加固材料的生產現狀

加固工程中廣泛運用的碳纖維加固材料主要分為：碳纖維織物、碳纖維復合型材、預應力碳纖維系統及短切碳纖維添加劑等幾大類。其中碳纖維織物搭配膠粘劑形成復合材料可應用于實際加固工程中，而短切纖維一般為混凝土或砂漿添加劑，用于提高混凝土或砂漿的延性。21世紀初，國產碳纖維織物由于編織工藝等技術問題，普遍存在碳纖維“起毛刺”、“斷頭再接”、“纏繞黏連”等現象，嚴重影響了產品的強度及穩定性。重要結構及項目中應用的碳纖維加固材料主要依賴于日本toray、瑞士Sika、德國Fisher、美國Simpson等歐美發達國家進口。近年來，以上海悍馬建筑科技有限公司為首的國內加固材料生產廠家引進德國多尼爾編織技術，改良并優化碳纖維織物的編織工藝，對碳纖維原絲的編織張力及緯線張力進行精細化控制，生產的碳纖維織物強度可達4.2GPa，彈性模量可達240GPa。碳纖維復合型材的拉、擠技術始于美國，20世紀80年代我國開始引進國外生產線用于玻璃纖維型材的生產。通過在機械原理、新型樹脂及固化劑等方面的優化升級，目前我國拉、擠纖維制品產量已占全球產量50%以上，拉、擠技術接近國際先進水平。表2列舉了瑞士SIKA、美國TYFO、上海悍馬、天津卡本等碳纖維織物的物理性能指標。

近年來，預應力碳纖維板技術也同樣得到了加固行業的廣泛關注，國內外大量專家學者對預應力碳纖維板的加固效率、疲勞性能以及不同的錨固形式作了大量的研究。各類預應力碳纖維板系統主要區別在于錨固或張拉形式有所差異，主流產品包括楔形機械夾持錨具、波形摩擦夾持錨具或膠粘型錨具等。其中較為成熟的有上海悍馬的弧形錨具純機械夾持技術、南京曼卡特的平板錨具機械夾持技術，天津卡本的楔形膠粘錨具技術。預應力碳纖維板已在國內許多加固工程尤其是橋梁領域中得到了廣泛應用，相關技術已達到國際先進水平。

2.2 碳纖維加固材料的應用現狀

改革開放以來我國基礎設施建設呈爆發式增長，截至2019年底，全國公路總里程達484.65萬km，公路橋梁85.15萬座[2]?！八摹薄ⅰ拔濉鳖愇蚪?0萬座，亟需進行修復與加固工程。同時截至2019年5月，我國現存老舊小區（2000年前）超16 萬個，建筑面積約40億m2，同樣亟需加固改造。在國內的加固改造工程中，應用最為廣泛的碳纖維加固材料為碳纖維織物與碳纖維復合板材兩大類。在過去的研究及國家規范中普遍認為碳纖維復合材料作為一種各項異性材料，可設計為承受拉應力的作用，因此可用于混凝土結構抗彎承載力補強，抗剪承載力補強，豎向構件提高延性的抗震加固等方面。萬秋實等[3]的研究表明混凝土梁的抗彎承載力在粘貼多層碳布時可得到較為顯著的提升（三層時屈服荷載提升20%，極限承載力提升48%～64%），但是由于待加固構件的初始荷載難以全部卸除，同時由于膠粘劑與混凝土間粘接破壞與混凝土保護層的剝離破壞影響顯著，需考慮混凝土基材實際強度與錨固措施的影響。周朝陽等[4]人的試驗證明類箍筋形式粘貼碳纖維織物通過限制剪切斜裂縫的開展，能有效提高構件的極限荷載。在完全環繞粘貼避免碳纖維剝離的情況下提升極限承載力可達45%。盧春玲等[5]通過碳纖維布環繞包裹混凝土圓柱的軸心受壓實驗，以及江世永等[6]通過碳纖維布環繞包裹混凝土方柱的滯回實驗，證明碳纖維環對柱的約束作用以及延性提高的作用。結構柱通過多層纏繞包裹碳纖維布，其抗壓承載力提高量可達70.8%，混凝土部分對承載力的貢獻提升量達118.6%，類似抗壓設計計算亦可采用箍筋約束混凝土的計算方法。同時，碳纖維環繞包裹鋼筋混凝土柱時，通過提升混凝土的名義壓應力可顯著提升混凝土的破壞應變，延性系數增幅可達151%。實際工程應用于設計案例中，碳纖維加固已作為一種常見的加固手段納入GB50367-2013《混凝土結構加固設計規范》的主要條文中，涵蓋了碳纖維織物、板材加固鋼筋混凝土構件的正截面、斜截面以及延性加固設計方法與可靠度判定。

此外，預應力碳纖維板作為一種新型的主動加固工法，在改善既有結構形變以及補充各類預應力構件的預應力損失上亦有良好的應用。結構加固工程中使用的碳纖維板一般采用60%碳纖維絲束含量的單向碳纖維層合板，抗拉強度可達2400～2800MPa，彈性模量為160～240GPa。Ye[7]等設計的楔形自鎖式錨具對于5cm寬幅以及10cm寬幅的碳纖維板均可達90%～100%其極限強度的張拉效率，同時在100MPa，2×106次的疲勞荷載下均能保持良好的承載情況。實際應用工程項目中，武漢軍山長江大橋在2018年的修繕項目上應用了3220套上海悍馬公司生產的2cm預應力碳纖維錨具，同樣取得了良好的應用效果。

盡管碳纖維加固材料在梁、板、柱、墻等混凝土結構構件的壓，彎、剪以及抗震延性加固等方面均有良好的表現，試驗資料同樣顯示在使用碳纖維材料加固時，原鋼筋混凝土結構仍要求有一定的承載力，碳纖維材料僅能提升而非替代原結構進行承載。

3? 國外碳纖維加固材料的現狀

自20世紀70年代以來，歐美發達國家已普遍步入建筑改造修繕為主的后建筑時代。以美國為例，根據美國土木工程師協會（ASCE）針對美國基礎設施發布的年度報告，全美共計614387座橋梁中，40%已經使用50年以上，全國近10%的橋梁存在結構性缺陷，預計修繕費用達1230億美元。全美基礎設施評分僅為D+，截至2027年共需投入4.59萬億美元用于基礎設施結構加固及修復，其中約有20%～30%將由碳纖維加固承擔。依據美國ACI440.2R-17中條文，外粘纖維復合材加固既有建筑時，規范對其物理性能、耐久性能及耐環境侵蝕性能，如耐火耐潮濕等均作詳細規定。相對于其他常用纖維復合材，如玻璃纖維與玄武巖纖維等，碳纖維在強度及模量方面均有較大優勢。表3列舉了常見纖維復合材料的基本性能范圍。

從整體設計邏輯上，區別于國內規范對纖維復合材料的等級要求與限值要求，ACI440.2R-17對碳纖維性能的接受范圍較為廣泛，同時在整體構件失效形式上考慮了碳纖維破斷以及混凝土受壓區破壞兩種可接受的失效，僅針對不同受力情況下的可靠度折減系數作進一步規定（折減系數φ取值介于0.55～0.65）。同時碳纖維加固材料在設計中更多作為一種新型建筑材料而非純粹的加固材料所使用，因而規范中并未明確規定既有荷載以及附加荷載對整體結構的不利影響。

4? 碳纖維加固材料的發展前景

碳纖維作為單一方向受力的加固材料，在傳統加固領域的設計方法已較為成熟。然而由于配套材料的影響，在受力較為復雜的場合，碳纖維材料往往難以完全發揮其性能。近年來，由于碳纖維配套環氧樹脂膠粘劑的發展，如抗氧化添加劑、耐高溫樹脂以及水下固化樹脂的產生，碳纖維加固材料的設計應用場景也得到了一定的擴展。同時由于成熟錨固系統的出現，碳纖維與鋼結構間的受力傳導途徑不再受制于膠粘劑的性能，碳纖維材料擺脫了界面剝離這種脆性破壞的影響，在鋼結構上亦可以有更好的應用。同時由于數值模擬逐漸得到廣泛應用，對復雜結構的實際應力情況和應力分布可以得到更加詳細的結果，碳纖維加固材料在鋼筋混凝土建筑抗震節點、索膜結構等受力復雜的領域也作出了一些貢獻。此外由于各類新興材料的發現，如記憶合金（SMA）與碳纖維板復合進行體外張拉等技術也得到了廣大學者的關注，雖然目前應用較少，但具有很寬廣的發展前景。

參考文獻

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