摘 要：纖維增強塑料（F R P ）是土木工程應用的熱點，而碳纖維（C F R P ）以其良好的物理力學性能使其應用最廣泛、最成熟，本文對C F R P在土木工程中應用給以總結，并進一步指出目前存在的問題。

關鍵詞：C F R P ；混凝土結構；加固

    纖維增強塑料包括碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等，這些復合材料一般具有耐腐蝕、耐紫外線、輕質、高強和非磁性等特點，作為工程材料在80 年代初其物理力學性能有了突破性的改善和提高。碳纖維材料由于性能優(yōu)于其他復合材料而脫穎而出。C F R P 最初應用局限于航天、軍事和船舶工程，后來范圍逐步擴大到土木工程領域，加固修復混凝土結構是自80 年代末至90 年代初在初在歐美和日本等發(fā)達國家興起的一項新技術，目前這項技術已成為土木工程領域研究的熱點。除此之外，C F R P作為一種新的增強構件和結構體系正在研究和應用。

1 CFRP 增強塑料的優(yōu)越使用性能

1 .1 碳纖維的特點及力學性能

    碳纖維是具有優(yōu)越的物理力學性能的新材料，也是目前性能最好，用途最多的增強纖維。在土木工程結構補強中，使用較多的碳纖維增強塑料是碳纖維片材。目前，在我國應用最多的是日本生產的碳纖維片。這種碳纖維片有單向片、單向預浸片、單向織布、雙向織布等 。C F R P 增強塑料是指預浸料碳纖維（C F ），其性能指標包括在物理力學性能方面要求其抗拉強、彈性模量、延伸率等，在施工性和使用耐久性方面主要要求其密度、浸透性、均勻度、耐腐蝕性等指標要求。碳纖維增強塑料的強度是普通建筑鋼材的十幾倍，彈性模量與建筑鋼材在同一水平上并略高，最大可達鋼材的兩倍左右，具有良好的耐久性和耐腐蝕性。

1.2 碳纖維的加固應用實例

    到目前為止，碳纖維片材在混凝土結構受彎構件的受彎加固、受剪加固和柱的抗震加固中研究和應用最多，相應計算理論也較為成熟。在受彎加固時，應使碳纖維片材的纖維方向與受拉區(qū)的拉應力方向一致，在受剪加固時，應使碳纖維片材的纖維方向與混凝土中主拉應力方向一致，但為了施工方便，可采用纖維方向與構件縱軸垂直的方法進行加固，抗震加固時，應使碳纖維布封閉纏繞在柱上，可以較好地提高抗震性能，除此以外，碳纖維片材也可沿構件軸向粘貼用于受拉構件的加固、沿環(huán)向粘貼用于軸心受壓構件的加固，在受彎加固時，也可采用對碳纖維片材施加預應力的方法以提高加固效果，碳纖維片材也可用于剪力墻，以及殼體、筒倉、煙囪等特種結構的加固，這些加固方法經研究表明是有效的。

    應用實例：北海天海閣假日酒店改造工程，由兩棟2 2 層的高層公寓和裙樓組成，因原設計為商住樓，現(xiàn)因開發(fā)需要改為度假式酒店工程，要求對地下室和裙樓部份的剪力墻進行開洞補強， 共開剪力墻洞口八個（2200 * 2200 ）均采用了碳纖維布加固補強的施工方法；另屋頂水箱間樓板因使用需要改為設備間，亦對樓板進行了加固，板面采用疊合加固法（板厚100mm ），板底采用碳纖維布加固的方法。實踐證明加固效果是有效和良好的。

2 CFRP 增強塑料在土木工程中的應用現(xiàn)狀

2. 1 國外應用現(xiàn)狀

    將短切碳纖維加入新混凝土中，制成碳纖維混凝土用于新結構已有一定的工程應用；將碳纖維長絲制成棒材，在新混凝土中代替鋼筋用于新建結構，主要用于海洋工程結構及需電磁波透過的工程結構；將碳纖維加工成束狀或繩狀，用于大型土木工程的拉索或懸索結構，該方面應用在錨具連接上尚未能很好地解決，仍有一定的應用；在新建結構中與混凝土一起做成預制混凝土板或大跨梁、架等，具有強度高，質量輕和耐腐蝕及耐久性等優(yōu)點，已有部分工程應用；應用于各種公路路面工程中，可以極大地提高公路的質量及耐久性，已有較多的工程實例；將碳纖維做成布織物或織物，用于結構加固修補，有大量的工程應用，其技術已基本成熟。

2.2 國內應用現(xiàn)狀

    CFRP 加固修補混凝土結構技術在我國起步較晚，但最近幾年系統(tǒng)地對CFRP 用于加固修補混凝土結構技術的研究也呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢，最初僅有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術研究中心一個單位，相繼有清華大學、同濟大學、天津大學、東南大學、大連理工大學等十余家高等學校和科研設計單位嘗試地進行過國產和進口碳纖維織物加固混凝土構件主要包括板、梁、柱等的模型實驗、加固施工工藝及加固性能評價等方面的研究，已經取得了實質性成果，并在工業(yè)與民用建筑、橋梁與隧道以及公路工程中得到具體的應用，收到了良好的效果，現(xiàn)在部分單位著手從事纖維增強材料加固混凝土結構規(guī)范的研究。該課題已列入建設部研究開發(fā)課題及國家科技部“九五”重點攻關課題。目前這項工作還處于剛剛起步階段。自1997年5月，國家工程中心已制作了一些試件，分為2 0余個工況，取得了構件抗彎、抗剪和抗壓等一些有價值的實驗數(shù)據，進行了多項工程的試點與推廣。相信碳纖維增強材料在國內將有廣闊的發(fā)展前景。

3 目前存在的問題

3 .1力學研究方面存在的問題

    CFRP 加固混凝土結構的技術是得到國際上普遍認同的開發(fā)熱點，其力學研究已經取得了很大的進展，然而，截至目前這方面工作還存在一些問題：

(1)盡管對加固結構的力學性能進行了一些試驗研究，但是系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值計算研究卻很有限。而這對于創(chuàng)立和發(fā)展這種嶄新的加固技術是必不可少的。

（2 ）CFRP 加強混凝土結構的破壞模式，如鋼筋屈服－CFRP 斷裂破壞、鋼筋屈服－混凝土壓碎、混凝土受壓破壞和CFRP 板于混凝土面的黏結破壞等各類破壞特性，尚需深入研究。

（3）盡管對CFRP 加強構件的彎曲、剪切延性、剛度能力等幾方面性能分別進行了實驗研究，但有關它們的綜合因素對加固材料的登記、數(shù)量以及施工工藝的影響的研究尚欠缺。

（4）有關疲勞和抗震性能的研究不足，這對于評價加固結構的綜合性能，預測其二次壽命至關重要。

（5）CFRP 加強構件與結構其它部分或整體的協(xié)調性如何，荷載的重分布而引起的局部破壞可能、連接點的削弱程度等，尚待研究。

3. 2 尚待解決的技術關鍵

（1）材料的國產化問題。盡管國外已有多種定型的碳纖維材料產品，但國內的大規(guī)模開發(fā)應用不能完全依賴于進口產品，從降低成本及發(fā)展民族工業(yè)來講，國產化是必須的條件，目前國內的P A N 基碳纖維強度一般在2000~3000Mpa 之間，彈性模量在2.1x10⁵Mpa左右，其性能基本滿足加固要求，但在預浸料的生產和加工成品的質量方面仍有較大的欠缺，均勻性也較差。因此材料的國產化問題是一個關鍵問題。

（2）CFRP 加固修補使用的技術方面的問題，這主要體現(xiàn)在國內相應標準與規(guī)程的制定上，盡管國際上一些國家已有了較完善的標準和規(guī)程，但并不適合我國，我們應及早制定出自己的標準和施工指南，包括材料生產、使用、檢驗、加固設計、計算、工程施工與驗收的一系列標準化工作。

4 結語與展望

    CFRP 加固修復混凝土結構技術研究開發(fā)成功后，將會給土木建筑領域加固改造技術帶來重大變革，采用碳纖維加固修復混凝土結構技術將比以往從傳統(tǒng)的技術更優(yōu)越、更有效率和更方便經濟，可以解決傳統(tǒng)的加固方法不能解決的技術問題，具有重大的經濟和社會效益。CFRP 加固修復混凝土結構技術研究開發(fā)成功，將為碳纖維材料及其它高性能纖維材料應用于建筑業(yè)打下深厚的基礎，開辟了新的產業(yè)途徑。同時將會極大地帶動我國碳纖維高技術領域的發(fā)展，促進行業(yè)技術進步，也為力學研究工作拓寬了領域，然而，新的加固結構體系集合了復合材料與鋼筋混凝土的綜合特點，要求力學工作者要與材料學家和結構工程師聯(lián)合，探討宏微觀結合的結構力學和基于新體系的材料損傷破壞力學，建立新體系的評價標準，為制定加固結構的設計施工規(guī)范提供理論依據，以推動復合材料加固技術的發(fā)展與完善。