CFRP發(fā)展及土木工程應(yīng)用現(xiàn)狀

柏格文　蘭滔

摘要：簡要介紹了CFRP的制造工藝和發(fā)展，并與鋼材和GFRP的性能進(jìn)行對比。著重歸納CFRP在土木工程中的應(yīng)用方向，包括加固修復(fù)和制造拉索等，最后總結(jié)目前CFRP亟待解決的幾個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：CFRP；土木工程；加固修復(fù)

1 發(fā)展

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）是碳纖維增強(qiáng)的聚合物基質(zhì)復(fù)合材料的統(tǒng)稱。用于制造CFRP的泛用基質(zhì)材料是熱固性材料（如環(huán)氧樹脂），聚酯和尼龍（聚酰胺）等，通常根據(jù)不同的性能需求選擇制造方法。其中應(yīng)用較多的為PAN基CFRP，該種方法首先使用化學(xué)和機(jī)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?fù)]發(fā)。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(yōu)異的物理和力學(xué)性能，詳見表1[1～2]。CFRP片材層壓架構(gòu)使其在橫縱雙向的力學(xué)性能得到強(qiáng)化。由于石墨化特性，CFRP呈現(xiàn)明顯的化學(xué)惰性，其失效方式多為纖維脆性破壞，表現(xiàn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)主要關(guān)注點(diǎn)之一，鄭云（2007）等人對CFRP板加固開裂鋼板進(jìn)行研究[3]，采用剩余疲勞壽命作為主要控制條件，結(jié)果表明加固后疲勞壽命達(dá)原先的2.6倍-5.5倍，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了疲勞損傷條件的重要性。因此在循環(huán)加載作用下，CFRP局部結(jié)構(gòu)需采用合適的安全系數(shù)來保障整體結(jié)構(gòu)的可靠度。

1950年，美國賴特-帕特森空軍基地率先進(jìn)行了CFRP性能開發(fā)及應(yīng)用；1959年，美國聯(lián)合碳化物公司發(fā)布了商業(yè)化CFRP產(chǎn)品。隨著技術(shù)成熟CFRP材料也逐步滲透到民用領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于有輕便高強(qiáng)需求的構(gòu)件當(dāng)中，例如無人駕駛飛機(jī)機(jī)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(gòu)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(dá)7成的整備質(zhì)量。

2 土木工程應(yīng)用

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

⑴舊結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)和改造。目前土木工程CFRP在此方向應(yīng)用最多。由于在土木工程中重建或替換缺陷部位結(jié)構(gòu)的成本和環(huán)境影響等遠(yuǎn)大于改造，所以后者在市場中具有很強(qiáng)的競爭力。CFRP能夠很好地契合舊結(jié)構(gòu)（如已建橋梁和隧道）的承載需求，修理損壞的結(jié)構(gòu)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(dān)了原焊趾的部分應(yīng)力，彌補(bǔ)了焊趾的疲勞損傷[4]。

⑵替代鋼材的拉索材料。國內(nèi)首座CFRP索斜拉橋位于江蘇大學(xué)，采用直筒+內(nèi)錐式錨具，張拉測試結(jié)果與計(jì)算值基本吻合，實(shí)現(xiàn)了CFRP索設(shè)計(jì)和施工工藝的創(chuàng)新[2]。根據(jù)斜拉橋的設(shè)計(jì)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(huán)境腐蝕較嚴(yán)重的拉索，以及有輕量化要求的橋梁工程中，CFRP具有充分優(yōu)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(xiàn)較為均勻的三向應(yīng)力作用，減少了致命裂縫的產(chǎn)生且提高了受壓破壞時(shí)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?yōu)閺澢有云茐?。雖然仍存在CFRP切面剪斷和角部拉斷現(xiàn)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(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度強(qiáng)化。用CFRP包覆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能得到極大提升，斷面強(qiáng)度提升率可高達(dá)100%以上[1]，而對原本的結(jié)構(gòu)剛度影響極小。如細(xì)CFRP芯可以顯著提高小截面的強(qiáng)度而對整體剛度影響甚微。

3 結(jié)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(jié)強(qiáng)度，一旦出現(xiàn)粘結(jié)失效則CFRP結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生脆性破壞，而鋼材是延性破壞。在CFRP作為新材料應(yīng)用于土木工程時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)的破壞性質(zhì)，可以是對CFRP進(jìn)行改性，或采用韌性更好的基體。同時(shí)，由于CFRP采用了樹脂材料，反復(fù)熱變環(huán)境中的水穩(wěn)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(yīng)用的發(fā)展離不開更多研究和改進(jìn)、相應(yīng)規(guī)范的建立和完善。

參考文獻(xiàn)：

[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(nèi)首座CFRP索斜拉橋的研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 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(xué)， 2007， 24（6）： 91-97

[4] 張寧， 岳清瑞， 楊勇新， 等. 碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)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(yàn)研究[J]. 工程抗震與加固改造， 2007， 29（1）： 33-38