碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑中的应用

【摘 要】随着我国社会经济发展,土木建筑工程规模及数量不断增加,碳纤维复合材料作为一种新型的材料,由于具有密度低、强度大、耐高温及耐腐蚀等优点,已经在土木建筑及基础设施工程里得到了较为广泛的应用,本文就碳纤维复合材料在基础设施及土木建筑里的应用进行了分析.

【关 键 词】碳纤维复合材料CFRP；基础设施；土木建筑；应用

碳纤维复合材料可简称为CFRP,具有高强、轻质、耐辐射及耐紫外线等优点,CFRP由于比其他复合材料更占据优势,获得较好的发展及应用,其最初仅应用在军事、航天及船舶工程里,随着应用范围不断扩大,也被广泛应用在了基础设施及土木建筑工程的建设当中,CFRP在我国土木建筑及基础设施方面研究及应用是比较晚的,大约在1996年左右才开始的,现在研究及应用大多集中在片材加固及混凝土修复方面,并且在这方面的理论及技术上已经比较成熟.

一、CFRP材料在土木建筑及基础设施里的特点

CFRP材料在基础设施及土木建筑的应用主要具有下列特点,一是CFRP材料具有可设计性,当纤维复合材料或者CFRP作为结构材料进行应用的时候,因为是增强材料及基体材料组合,不仅能够保持原来分材料一些特点,在组合之后,还能发挥组合之后的一些新特性,可依据结构的需要来设计,从而满足单一材料所无法满足的一些性能要求；二是CFRP具有高强度及轻质特点,其抗拉强度比较高,与普通钢筋相比,顺纤维方向的抗拉强度要大得多,当然其均匀性要比钢材要稍微差一些,并且各向异性,使得抗剪及抗多轴向力的强度也要低一些,其质量非常的轻,密度仅是钢材密度的1/5,在施工安装的时候是比较方便的；三是抗疲劳性及耐腐蚀性能比较好,通常钢筋等金属疲劳强度是拉伸强度的50%左右,可纤维复合材料疲劳强度一般是拉伸强度70%以上,具有较好的抗疲劳功能,一般建筑材料,像钢筋等是不耐腐蚀的,特别是在近海工程里,容易和周围空气、化学物质及海水等发生反应,让基础设施建设及土木建筑工程无法有效发挥出应有作用,造成较大损失,像CFRP等纤维复合材料具有比较好的耐腐蚀性能,用CFRP材料所制成设备及构件具有较好耐碱、酸及盐等化学物质侵蚀；四是抗震性能及安全性能比较好,CFRP材料和原有建筑材料相比,自振频率比较高,不会出现共振情况,并且在加载频率及速度之下,基本上不会出现由于共振产生快速断裂的情况,并且在纤维复合材料里,具有较多独立纤维如果复合材料承载过量也不会马上发生纤维断裂,即使有少量的纤维断裂,也会吧载荷重新分配到其他没有被损坏纤维上面,从而防止基础设施及土木建筑工程构件瞬间失去承载能力产生断裂；五是具有较强美学欣赏可塑性,CFRP材料是比较柔软的,产品形状基本上不受限制,能够任意着色,把结构形式及材料美学进行结合统一.

二、CFRP材料在基础设施及土木建筑里的应用

1.　CFRP能够增强混凝土应用

在基础设施及土木建筑里,混凝土均是不可缺少的应用材料,并且使用量非常大,通常使用钢筋增加强度,可钢筋自身一般具有容易受到酸碱作用的腐蚀,也会对混凝土造成一定破坏,这就需要寻找新型混凝土产品,在这种情形下,纤维混凝土应运而生,它是对混凝土创新,最早所使用的是玻璃纤维、钢纤维及维纶来增强混凝土,现在一般是运用CFRP材料来增强混凝土.纤维材料自身具有模量、强度、断裂长度及空间结构等决定了混凝土性能,运用CFRP材料能够增强混凝土的拉伸强度、防裂性能及抗弯强度,能够用作装饰材料,也可以用作护墙板、墙板及主体建筑物等.原有混凝土结构具有劣化及腐蚀等问题,尤其是钢材锈蚀是最常见的,并且还会发生安全事故,后来使用了钢纤维,可钢纤维具有成本高及容易腐蚀的问题,其应用是比较有限的,后来玻璃纤维拉伸强度要比钢筋优越的多,并且重量也仅是钢筋重量的1/4,受到海水及水泥侵蚀程度要远比钢筋低得多,可玻璃纤维具有容易折断及不耐碱的特点,并且应用具有污染性,而碳纤维具有高强度、低密度及高硬度等特点,并且弹性模量及抗拉强度均比较高,还能导磁导电、耐高温、耐磨损、耐恶劣环境且能和混凝土良好粘结,使得CFRP混凝土得到了较为广泛应用,当然由于碳纤维具有导磁导电特点,有些建筑是不能应用的,像日本学者就运用纤维毡当作吸附电磁波功能的组分,进行轻质及防震功能幕墙,这种CFRP材料不仅能够屏蔽电磁波,还能够运用交通智能系统的应用,CFRP材料诸多优点使得它在土木建筑及基础设施建设里备受青睐.

2.　CFRP在结构补强材料里的应用

CFRP材料主要应用在基础设施及土木建筑工程结构的补强材料里,原有补强材料主要是钢板,具有自重大、易老化、耐腐蚀差及施工不方便等缺点,现在所应用补强材料一般是CFRP材料,一般比较适合钢筋混凝土的结构变更、强度不足、存有裂缝及荷重增加等加固的修补工程里,和原有粘钢板技术比较,这种CFRP加固技术具有高效高强、维护性能好、施工方便、质量高、适用广及智能化等优点,其具体表现是CFRP本身具有轻质高强的特点,并且对原来结构影响不大情况下,能够有效提高加固构件抗剪、抗弯及抗震等性能；而碳纤维的轻质柔性特点,能够手工缠绕混凝土表面,不需要运用大型的机具,更不需要五十作业及焊接,并且噪声和灰尘也很小；其防护及维护性能比较好是由于碳纤维具有较好的耐久性能及耐腐蚀性能,能够抵抗各类碱盐酸造成结构物腐蚀,并且运用这种加固技术处理之后,不用定期维护,自身就对混凝土内部起到保护作用；其片材柔软的特点,能够对各种结构及类型建筑物给予修补,以达到不用改变结构的形式及结构外观效果情况下完成修补,适用面是非常广的；并且还能够实现智能化,CFRP片材做成的加固材料,能够依据加固修复位置的导电性能情况,来安全检查及诊断此部位的情况,像瑞士就运用这种复合材料,对跨长39m伊巴赫桥损坏的加固,让其满足了需要承载能力要求.

3.　CFRP应用存在一些问题

CFRP在基础设施及土木建筑工程里,得到了较为广泛应用,可是依然存在一些问题,像CFRP在加固混凝土方面取得了较大成就,可在加固结构力学性能方面还不是很完善,数值计算及理论分析研究比较有限,对于加强混凝土破坏模式方面研究不是很深入,有关加强构建刚度、弯曲及剪切延性等给予了关注研究及应用,可综合因素所造成加固材料数量、登记及施工工艺方面影响还是有些欠缺的.我国PAN碳纤维强度通常在2000-3000Mpa间,其弹性的模量为2100000Mpa上下,这个性能能够满足加固的要求,可预浸料生产及加工的成品质量还存在比较大的欠缺,使其材料国产化是个比较关键的问题,并且加固技术方面还缺少较为完善国内标准及规范制度,需要制定自己标准及相关施工指南,让建筑工程开展更具有规范性及可依靠标准.

结束语：

随着建筑工程规模及数量不断增大,CFRP材料应用越来越广泛,国外虽有较多碳纤维产品,可我国大规模开发及应用不能完全依赖进口,要想降低成本和发展民族工业,就需要加强CFRP材料的国产化,并且不断加强CFRP材料研究及建筑工程应用,让CFRP材料真正发挥自身优点,降低建筑工程成本,提高其经济效益及社会效益.