论文导读：综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。从以上CFRP材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。CFRP加固修补混凝土结构是兴起于欧美和日本等发达国家的一项新技术，在我国起步较晚，但最近几年我国对CFRP加固修补混凝土结构技术的系统研究呈现不断发展的趋势，而且已经取得了实质性成果。
关键词：混凝土结构加固，CFRP，研究，应用
1. CFRP 增强塑料的特点与性能研究
碳纤维是一种高性能纤维，在建筑结构中的使用量最大。论文参考网。在保护气氛中的有机纤维在施加张力牵引下，经过热处理碳化而成为含碳量90%以上的碳纤维。在混凝土结构的加固补强中，碳纤维片材作为碳纤维增强塑料的一种使用较多。我国土木工程领域多使用日本生产的碳纤维片，这种材料包括单向片、单向预浸片、单向织布、双向织布等多种形式。
与普通建筑钢材相比，碳纤维增强塑料具有如下特点：顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋；均匀性与钢材相比较差，各向异性；重量轻, 密度约为钢材的1/5， 便于施工安装；耐久性好；抗腐蚀性能好，除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30% 的硫酸、碱等对其均不起作用；热膨胀系数低；应力-应变曲线呈线性分布；减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，且内阻很大，若发生激振，衰减快；材料柔软，产品形状几乎不受限制，还可以任意着色，将结构形式和材料美学统一起来；非磁性。综合以上特点，碳纤维增强塑料（CFRP）在建筑结构中具有突出的应用优势。
从以上CFRP 材料的综合特性分析，CFRP材料适合作为土木工程领域桥梁结构的受拉或预应力受弯构件，特别在应用于纯受拉构件时，材料自身的优势可以得到最大限度的发挥，这也在工程实践中得到了证明CFRP 增强塑料是指预浸料碳纤维(CF)，其物理力学性能指标包括抗拉强度、弹性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面包括密度、浸透性、均匀度、耐腐蚀性等指标要求。 (1)力学性能。利用碳纤维所具有的具有高强度(抗拉强度高达一般钢材的10余倍)、高弹性模量、密度小、延伸率小等优异特性，可有效提高混凝土结构的承载力，增强其延性、抗裂性能，达到高强、高效加固修复混凝土结构的目的。论文参考网。(2)热学性能。碳纤维的耐高低温的性能好，热导率高。(3)耐化学性能。碳纤维具有较好的耐酸碱性，一般的酸碱对其作用很小。且碳纤维的耐水性也很好。(4)电、磁性能。碳纤维沿纤维方向的导电性好，抗磁性好。
2. CFRP 增强塑料的应用研究
2.1 CFRP的国内应用现状
CFRP加固修补混凝土结构是兴起于欧美和日本等发达国家的一项新技术，在我国起步较晚，但最近几年我国对CFRP加固修补混凝土结构技术的系统研究呈现不断发展的趋势，而且已经取得了实质性成果。碳纤维增强塑料在工业与民用建筑、桥梁与隧道以及公路工程中得到了广泛的应用，目前主要用于旧桥加固时约束裂缝的开展，承受拉应力；新建桥梁中主要作为受拉的缆索或主梁的预应力筋。
我国在1996 年前后才开始对土木结构方面的CFRP 进行研究，起步相对较晚。最初只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心进行相关研究，后来清华大学、同济大学、湖南大学、哈尔滨工业大学等十余所高校相继开始从事CFRP的研究课题，并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得一定成果。目前，国家已编制并颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》、《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》。现阶段我国主要集中研究CFRP片材加固和修复混凝土结构，国家工程中心已制作出20 余个工况的试件，取得了构件抗弯、抗剪和抗压等一些有价值的实验数据，进行了多项工程的试点与推广。相信碳纤维增强材料在国内将有广阔的发展前景。
2.2 CFRP的国外应用现状
CFRP材料最初应用于航天工业，这项技术在20 世纪70 年代已渐趋成熟。20 世纪60 年代，美国开始把CFRP 材料应用在土木工程领域。但当时试验结果不理想，而且试验费用很高，所以FRP 材料在土木领域的研究与应用在其后的二十多年里没有很大的进展。直到80 年代初，欧美、日本和澳大利亚等国才开始重视FRP 材料在土木工程中的相关应用研究，这时期内FRP 材料多应用于于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，尤其集中在桥梁方面。20 世纪80 年代末及20世纪90 年代初，日本的众多大学、科研机构材料生产厂家相继大量进行了CFRP 用于结构加固修补的研究。CFRP 以其优异的力学性能、简便的施工工艺、良好的耐腐蚀和耐久性得到了普遍的赞同。特别是日本阪神地震后，用CFRP 加固修复混凝土结构,尤其是进行抗震加固，在日本、韩国、美国、欧洲等国家和地区得到迅速的发展和应用。CFRP材料应用于土木工程在日本已经有20 多年的历史。20 世纪90 年代碳纤维材料在国际土木工程应用领域得到了系统的研究，并且首先在桥梁、隧道和房建加固工程中得到了广泛应用。论文参考网。有些发达国家已编写了相关的设计、施工规程，及相关的指南和手册。鉴于美国和加拿大地区受盐害较严重，约有60万座桥梁需要加固和修复，美国混凝土协会(AC I)成立了专门委员会(AC I440) ，在美国很多机构开始CFRP 的应用研究；加拿大也已经建立了相关的研究开发基地， 并且编制CFRP 的规程。
目前，国外发达国家不仅将碳纤维材料成功地应用于新建的土木工程领域，而且其他高性能纤维材料也已成功应用于建筑业的各个领域。不仅将上述材料用于非预应力状态，而且也将其用于预应力状态。根据国外资料介绍，由于世界上各大碳纤维厂商相继大力推进CFRP 在土木工程中的应用，今后数年碳纤维材料在土木工程中的年增长率，将达到20%以上。
3. CFRP在其应用研究方面存在的问题
CFRP 加固混凝土结构的技术得到了国际上的普遍认同，并已经成为土木工程材料的开发热点，其力学性能和相关应用的研究也取得了很大的进展。然而，到目前为止，对CFRP材料的研究与应用还存在许多问题。系统的理论分析和数值计算研究对于创立和发展这种崭新的加固技术是必不可少的，但是在对加固结构的力学性能进行的试验研究中，这方面的成果却非常有限；尽管对CFRP 加强构件的弯曲、剪切延性、刚度能力等几方面性能分别进行了实验研究，但有关它们的综合因素对加固材料的登记、数量以及施工工艺的影响的研究尚欠缺； CFRP 加强构件与结构其它部分或整体的协调性如何，荷载的重分布而引起的局部破坏可能、连接点的削弱程度等，尚待研究。还有，CFRP 加固修补使用的技术方面也存在问题，这主要体现在国内相应标准与规程的制定上，尽管国外一些国家已有了较完善的标准和规程，但并不适合我国，我们应及早制定出自己的标准和施工指南，包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收的一系列标准化工作。
参考文献
[1]吴海军, 陆萍, 周志祥. CFRP 在新建桥梁中的应用与展望[J ].重庆交通学院报, 2004, 23 (1) , 1- 5.
[2]李荣,佟晓利等.CFRP加固混凝土结构技术应用实践[J].高科技纤维与应用,1998,23(6):28-30.
|
