國(guó)產(chǎn)碳纖維加固材料生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)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(bǔ)強(qiáng)的常用材料之一。碳纖維加固材料的生產(chǎn)工藝及種類繁多，對(duì)施工環(huán)境和施工的工法存在一些特殊的要求，同時(shí)受力方式與一般的各向同性材料有較大區(qū)別。本文分析了我國(guó)碳纖維原絲及碳纖維加固材料的生產(chǎn)情況，對(duì)比了國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的力學(xué)性能并分析了相關(guān)應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)碳纖維加固材料的材料水平及加固應(yīng)用水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外對(duì)比了國(guó)外碳纖維加固材料應(yīng)用及相關(guān)規(guī)范發(fā)展，提出了我國(guó)碳纖維加固材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料? 結(jié)構(gòu)加固? 生產(chǎn)工藝? 材料性能

中圖分類號(hào)：TU746? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(jù)聯(lián)合國(guó)人居中心預(yù)測(cè)，2050年世界城市化水平將達(dá)到61%，發(fā)達(dá)國(guó)家城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到90%，同時(shí)，大量老舊結(jié)構(gòu)亟待修繕、改造和加固。住建部下發(fā)的《城鄉(xiāng)建設(shè)抗震防災(zāi)“十三五”規(guī)劃》中，既有建筑的加固改造是抗震防災(zāi)建設(shè)的重中之重，中國(guó)自21世紀(jì)以來(lái)已步入新建與改造并存的建筑時(shí)代。在加固改造工程中，碳纖維作為一種強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕、施工便捷的結(jié)構(gòu)加固材料在各類加固工程中已經(jīng)擁有廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)建筑行業(yè)使用碳纖維原絲約3900t，其中80%以上用于老舊結(jié)構(gòu)的加固維修。然而由于碳纖維制品的生產(chǎn)工藝及種類繁多，對(duì)施工環(huán)境及施工工法存在一些特殊的要求，錯(cuò)誤的選擇碳纖維加固材料會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。同時(shí)由于受力方式與一般的各項(xiàng)同性材料（如鋼材等）有較大區(qū)別，在加固工程中如何良好地運(yùn)用碳纖維加固材料達(dá)到既定的承載力目標(biāo)是現(xiàn)今研究的重點(diǎn)之一。

1? 碳纖維原絲的生產(chǎn)現(xiàn)狀

自1959年美國(guó)聯(lián)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(lái)，碳纖維復(fù)合材料歷經(jīng)60年發(fā)展，產(chǎn)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(chǎn)碳纖維等多種生產(chǎn)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(jī)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(duì)聚丙烯腈原絲進(jìn)行預(yù)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(zhì)，并引進(jìn)極性或反應(yīng)型官能團(tuán)，利于后續(xù)樹(shù)脂等基材的復(fù)合作用。

目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域所用碳纖維材料產(chǎn)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(jìn)口，直至21世紀(jì)初隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展，以及國(guó)外產(chǎn)品的出口禁令等原因，逐漸催生了一批國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲廠家，如威海光威、中復(fù)神鷹、中安信等具備生產(chǎn)較高品質(zhì)碳纖維原絲的能力。國(guó)產(chǎn)化民用碳纖維原絲已可達(dá)對(duì)標(biāo)日本toray生產(chǎn)的高強(qiáng)T800級(jí)、高模量M46級(jí)等的水平，國(guó)內(nèi)外主要品牌的碳纖維原絲物理性能對(duì)比如表1所示。

2? 碳纖維加固材料的生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 碳纖維加固材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀

加固工程中廣泛運(yùn)用的碳纖維加固材料主要分為：碳纖維織物、碳纖維復(fù)合型材、預(yù)應(yīng)力碳纖維系統(tǒng)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(fù)合材料可應(yīng)用于實(shí)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(jì)初，國(guó)產(chǎn)碳纖維織物由于編織工藝等技術(shù)問(wèn)題，普遍存在碳纖維“起毛刺”、“斷頭再接”、“纏繞黏連”等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。重要結(jié)構(gòu)及項(xiàng)目中應(yīng)用的碳纖維加固材料主要依賴于日本toray、瑞士Sika、德國(guó)Fisher、美國(guó)Simpson等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口。近年來(lái)，以上海悍馬建筑科技有限公司為首的國(guó)內(nèi)加固材料生產(chǎn)廠家引進(jìn)德國(guó)多尼爾編織技術(shù)，改良并優(yōu)化碳纖維織物的編織工藝，對(duì)碳纖維原絲的編織張力及緯線張力進(jìn)行精細(xì)化控制，生產(chǎn)的碳纖維織物強(qiáng)度可達(dá)4.2GPa，彈性模量可達(dá)240GPa。碳纖維復(fù)合型材的拉、擠技術(shù)始于美國(guó)，20世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)線用于玻璃纖維型材的生產(chǎn)。通過(guò)在機(jī)械原理、新型樹(shù)脂及固化劑等方面的優(yōu)化升級(jí)，目前我國(guó)拉、擠纖維制品產(chǎn)量已占全球產(chǎn)量50%以上，拉、擠技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平。表2列舉了瑞士SIKA、美國(guó)TYFO、上海悍馬、天津卡本等碳纖維織物的物理性能指標(biāo)。

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)也同樣得到了加固行業(yè)的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外大量專家學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力碳纖維板系統(tǒng)主要區(qū)別在于錨固或張拉形式有所差異，主流產(chǎn)品包括楔形機(jī)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(jī)械夾持技術(shù)、南京曼卡特的平板錨具機(jī)械夾持技術(shù)，天津卡本的楔形膠粘錨具技術(shù)。預(yù)應(yīng)力碳纖維板已在國(guó)內(nèi)許多加固工程尤其是橋梁領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.2 碳纖維加固材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，截至2019年底，全國(guó)公路總里程達(dá)484.65萬(wàn)km，公路橋梁85.15萬(wàn)座[2]?！八摹?、“五”類危橋近10萬(wàn)座，亟需進(jìn)行修復(fù)與加固工程。同時(shí)截至2019年5月，我國(guó)現(xiàn)存老舊小區(qū)（2000年前）超16 萬(wàn)個(gè)，建筑面積約40億m2，同樣亟需加固改造。在國(guó)內(nèi)的加固改造工程中，應(yīng)用最為廣泛的碳纖維加固材料為碳纖維織物與碳纖維復(fù)合板材兩大類。在過(guò)去的研究及國(guó)家規(guī)范中普遍認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料作為一種各項(xiàng)異性材料，可設(shè)計(jì)為承受拉應(yīng)力的作用，因此可用于混凝土結(jié)構(gòu)抗彎承載力補(bǔ)強(qiáng)，抗剪承載力補(bǔ)強(qiáng)，豎向構(gòu)件提高延性的抗震加固等方面。萬(wàn)秋實(shí)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(shí)可得到較為顯著的提升（三層時(shí)屈服荷載提升20%，極限承載力提升48%～64%），但是由于待加固構(gòu)件的初始荷載難以全部卸除，同時(shí)由于膠粘劑與混凝土間粘接破壞與混凝土保護(hù)層的剝離破壞影響顯著，需考慮混凝土基材實(shí)際強(qiáng)度與錨固措施的影響。周朝陽(yáng)等[4]人的試驗(yàn)證明類箍筋形式粘貼碳纖維織物通過(guò)限制剪切斜裂縫的開(kāi)展，能有效提高構(gòu)件的極限荷載。在完全環(huán)繞粘貼避免碳纖維剝離的情況下提升極限承載力可達(dá)45%。盧春玲等[5]通過(guò)碳纖維布環(huán)繞包裹混凝土圓柱的軸心受壓實(shí)驗(yàn)，以及江世永等[6]通過(guò)碳纖維布環(huán)繞包裹混凝土方柱的滯回實(shí)驗(yàn)，證明碳纖維環(huán)對(duì)柱的約束作用以及延性提高的作用。結(jié)構(gòu)柱通過(guò)多層纏繞包裹碳纖維布，其抗壓承載力提高量可達(dá)70.8%，混凝土部分對(duì)承載力的貢獻(xiàn)提升量達(dá)118.6%，類似抗壓設(shè)計(jì)計(jì)算亦可采用箍筋約束混凝土的計(jì)算方法。同時(shí)，碳纖維環(huán)繞包裹鋼筋混凝土柱時(shí)，通過(guò)提升混凝土的名義壓應(yīng)力可顯著提升混凝土的破壞應(yīng)變，延性系數(shù)增幅可達(dá)151%。實(shí)際工程應(yīng)用于設(shè)計(jì)案例中，碳纖維加固已作為一種常見(jiàn)的加固手段納入GB50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)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(gòu)件的正截面、斜截面以及延性加固設(shè)計(jì)方法與可靠度判定。

此外，預(yù)應(yīng)力碳纖維板作為一種新型的主動(dòng)加固工法，在改善既有結(jié)構(gòu)形變以及補(bǔ)充各類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失上亦有良好的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)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(qiáng)度可達(dá)2400～2800MPa，彈性模量為160～240GPa。Ye[7]等設(shè)計(jì)的楔形自鎖式錨具對(duì)于5cm寬幅以及10cm寬幅的碳纖維板均可達(dá)90%～100%其極限強(qiáng)度的張拉效率，同時(shí)在100MPa，2×106次的疲勞荷載下均能保持良好的承載情況。實(shí)際應(yīng)用工程項(xiàng)目中，武漢軍山長(zhǎng)江大橋在2018年的修繕項(xiàng)目上應(yīng)用了3220套上海悍馬公司生產(chǎn)的2cm預(yù)應(yīng)力碳纖維錨具，同樣取得了良好的應(yīng)用效果。

盡管碳纖維加固材料在梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓，彎、剪以及抗震延性加固等方面均有良好的表現(xiàn)，試驗(yàn)資料同樣顯示在使用碳纖維材料加固時(shí)，原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行承載。

3? 國(guó)外碳纖維加固材料的現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍步入建筑改造修繕為主的后建筑時(shí)代。以美國(guó)為例，根據(jù)美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）針對(duì)美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)布的年度報(bào)告，全美共計(jì)614387座橋梁中，40%已經(jīng)使用50年以上，全國(guó)近10%的橋梁存在結(jié)構(gòu)性缺陷，預(yù)計(jì)修繕費(fèi)用達(dá)1230億美元。全美基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)分僅為D+，截至2027年共需投入4.59萬(wàn)億美元用于基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)加固及修復(fù)，其中約有20%～30%將由碳纖維加固承擔(dān)。依據(jù)美國(guó)ACI440.2R-17中條文，外粘纖維復(fù)合材加固既有建筑時(shí)，規(guī)范對(duì)其物理性能、耐久性能及耐環(huán)境侵蝕性能，如耐火耐潮濕等均作詳細(xì)規(guī)定。相對(duì)于其他常用纖維復(fù)合材，如玻璃纖維與玄武巖纖維等，碳纖維在強(qiáng)度及模量方面均有較大優(yōu)勢(shì)。表3列舉了常見(jiàn)纖維復(fù)合材料的基本性能范圍。

從整體設(shè)計(jì)邏輯上，區(qū)別于國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)纖維復(fù)合材料的等級(jí)要求與限值要求，ACI440.2R-17對(duì)碳纖維性能的接受范圍較為廣泛，同時(shí)在整體構(gòu)件失效形式上考慮了碳纖維破斷以及混凝土受壓區(qū)破壞兩種可接受的失效，僅針對(duì)不同受力情況下的可靠度折減系數(shù)作進(jìn)一步規(guī)定（折減系數(shù)φ取值介于0.55～0.65）。同時(shí)碳纖維加固材料在設(shè)計(jì)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(guī)范中并未明確規(guī)定既有荷載以及附加荷載對(duì)整體結(jié)構(gòu)的不利影響。

4? 碳纖維加固材料的發(fā)展前景

碳纖維作為單一方向受力的加固材料，在傳統(tǒng)加固領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法已較為成熟。然而由于配套材料的影響，在受力較為復(fù)雜的場(chǎng)合，碳纖維材料往往難以完全發(fā)揮其性能。近年來(lái)，由于碳纖維配套環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的發(fā)展，如抗氧化添加劑、耐高溫樹(shù)脂以及水下固化樹(shù)脂的產(chǎn)生，碳纖維加固材料的設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景也得到了一定的擴(kuò)展。同時(shí)由于成熟錨固系統(tǒng)的出現(xiàn)，碳纖維與鋼結(jié)構(gòu)間的受力傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)上亦可以有更好的應(yīng)用。同時(shí)由于數(shù)值模擬逐漸得到廣泛應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力情況和應(yīng)力分布可以得到更加詳細(xì)的結(jié)果，碳纖維加固材料在鋼筋混凝土建筑抗震節(jié)點(diǎn)、索膜結(jié)構(gòu)等受力復(fù)雜的領(lǐng)域也作出了一些貢獻(xiàn)。此外由于各類新興材料的發(fā)現(xiàn)，如記憶合金（SMA）與碳纖維板復(fù)合進(jìn)行體外張拉等技術(shù)也得到了廣大學(xué)者的關(guān)注，雖然目前應(yīng)用較少，但具有很寬廣的發(fā)展前景。

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