土木工程中碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用研究分析論文
近幾年隨著我國(guó)基礎(chǔ)投資規(guī)模增大和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的飛速發(fā)展，我國(guó)的土木工程建設(shè)規(guī)模和數(shù)量進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到大量的應(yīng)用，混凝土是我國(guó)目前用量最大的人造材料，也是最重要的建筑材料之一。隨著時(shí)間的推移，人們發(fā)現(xiàn)混凝土并不是永固的，自澆灌成型開(kāi)始，由于受到外部環(huán)境溫度、濕度、混凝土碳化、空氣中氯離子等影響，混凝土中的鋼筋就會(huì)受到多方面的腐蝕破壞，主要有碳化、堿一集料反應(yīng)、凍害和鹽害，使鋼筋受腐蝕損害，剛度、強(qiáng)度減弱，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的降低。目前，鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低是土木工程中存在的主要問(wèn)題，為了保持和增加混凝土的耐久性，混凝土后期保養(yǎng)維護(hù)成本巨大，因此如何維持現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和發(fā)現(xiàn)在的材料替代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前土木工程的研究熱點(diǎn)之一，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，各種型材料出現(xiàn)在土木工程中來(lái)，目前碳纖維復(fù)合材料在一些特使的工程中逐漸取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)踐中也取得了一定的應(yīng)用成果，因此本研究在前人研究的基礎(chǔ)下對(duì)碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的運(yùn)用情況進(jìn)行研究分析，為進(jìn)一步使用碳纖維復(fù)合材料提供理論和是實(shí)踐指導(dǎo)。
1研究現(xiàn)狀
1.1碳纖維概念及成分
碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種，在具有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性的基礎(chǔ)下還有自己帶的特征，目前研究理論表明，碳纖維的外在特征隨著含碳量隨種類不同而存在一定差異，但是作為碳纖維復(fù)合材料，除了具有本身的特點(diǎn)之外，一般具有耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等，但碳纖維復(fù)合材料與一般碳素材料不同的是，碳纖維復(fù)合材料外形有顯著的各向異性，可根據(jù)工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。土木工程方面碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重輕，抗拉強(qiáng)度大，研究認(rèn)為抗拉強(qiáng)度是鋼的7-9倍，因此碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是土木工程中能提供特殊幫助的高效建材之一。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步比較早。結(jié)合研究需要成認(rèn)了相應(yīng)的碳纖維復(fù)合材料研究協(xié)會(huì)，制訂了相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施規(guī)范、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)程等，制訂了研究發(fā)展方向，加大經(jīng)碳纖維復(fù)合材料再實(shí)際中的應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)多年的研究，目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有較為成熟的碳纖維復(fù)合材料理論、研究體系和研究成果，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用獲得了第一手資料，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了一定的應(yīng)用實(shí)例。目前由于碳纖維復(fù)合材料特有的可根據(jù)工程需要加工成各種織物材料，滿足工程需要，而且織物表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用在房屋建筑工程的加固工程中、橋梁工程等的加固、維修和保養(yǎng)下。從研究現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步比較晚，缺少系統(tǒng)化、本土化的研究體系，主要理論和研究標(biāo)準(zhǔn)、方法借鑒先進(jìn)國(guó)家的研究成果，缺少實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的搜集和整理，施工規(guī)范下過(guò)于依賴國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)，缺少本土化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究體系，研究方向主要集中碳纖維增強(qiáng)聚合物片材加固和修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)用也比較成熟。例如采用碳纖維增強(qiáng)聚合物片材對(duì)下海財(cái)經(jīng)大學(xué)24 m跨度的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，采用碳纖維布對(duì)天安門城樓下的大型木柱進(jìn)行加固等等。單麗萍《碳纖維布在建筑結(jié)構(gòu)加固中的施工措施淺析》(民營(yíng)科技2012.8)研究指出，碳纖維增強(qiáng)聚合物加固技術(shù)是一種新型高效的土木工程加固修復(fù)技術(shù)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高強(qiáng)、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。并對(duì)碳纖維布在加固和維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)中的施工措施進(jìn)行分析，之處隨著對(duì)新材料碳纖維(CFRP)的研究的深人，用CFRP取代鋼板作為外貼對(duì)建筑物進(jìn)行加固是一種必然趨勢(shì)。并現(xiàn)針對(duì)碳纖維加固的原理、依據(jù)、前提進(jìn)行了探討，并對(duì)施工工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述。張勇《CFRP加固混凝土梁的凍融試驗(yàn)研究》(河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)2012.1 )，碳纖維(CFRP)雖然在加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，但其長(zhǎng)期的加固性能尚未得到證實(shí)。尤其在我國(guó)北方較寒冷地區(qū)，因此研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)碳纖維加固的混凝土構(gòu)件的影響。試驗(yàn)研究顯示碳纖維基本能夠滿足寒冷地區(qū)的加固要求。舒亞《碼頭改造工程中碳纖維加固技術(shù)的運(yùn)用灰水利建設(shè)與管理2014.3》一文中研究指出:伴隨著材料研究的深人，混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)也日益提高，結(jié)合工程實(shí)例，闡述在碼頭改造工程中如何將碳纖維加固技術(shù)運(yùn)用到水工結(jié)構(gòu)物的主要受力構(gòu)件，為碼頭水工結(jié)構(gòu)物的加固修復(fù)帶來(lái)新的舉措，保障了碼頭水工建筑物的安全。整體下來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的使用研究目前基本集中在混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固下，相信隨著研究的深人，碳纖維加固技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)用日益廣泛。
1.3最新研究進(jìn)展和趨勢(shì)
日本開(kāi)發(fā)研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維聚合卷管。研究發(fā)現(xiàn)這種聚合卷管具有高效的結(jié)構(gòu)體系，在實(shí)際應(yīng)用中可以獲得特殊的建筑效果!”
也有學(xué)者提出利用碳纖維優(yōu)良的導(dǎo)電性，通過(guò)相應(yīng)手段監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料加固部位導(dǎo)電性能的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)土木建筑物或橋梁等的無(wú)創(chuàng)口健康監(jiān)測(cè)和診斷，而目前利用碳纖維優(yōu)良的導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究不多，鄭認(rèn)霞《局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究》(四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)2011.2 )研究指出利用不同將碳纖維所具有的特有的導(dǎo)電特性，將不同碳纖維取代鋼筋加人普通混凝土中，普通混凝土便成為具有自診斷功能特性的智能混凝土。利用這些功能特性可望實(shí)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究局部疊層碳纖維取代鋼筋形成的三點(diǎn)彎曲梁在單調(diào)和循環(huán)拉應(yīng)力作用下電阻的變化規(guī)律，分析了局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變一電阻效應(yīng)，在此基礎(chǔ)下進(jìn)行橫向?qū)Ρ�，�?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，局部疊層碳纖維水泥基材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)是連續(xù)碳纖維水泥基材料應(yīng)變靈敏系數(shù)的'近23倍，但穩(wěn)定性要差一些;局部疊層碳纖維水泥基材料的電阻和拉伸應(yīng)變成正比例，因此利用這一特性把可望把局部疊層碳纖維用于土木工程，便于實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)。
2碳纖維復(fù)合材料在構(gòu)件承載力不足的情況下的應(yīng)用
雖然在土木工程施工過(guò)程中在施工階段，從下到下有嚴(yán)格的施工規(guī)范和要求，但是實(shí)際過(guò)程中卻常常存在由于施工管理不嚴(yán)、施工人員能力缺陷、致使施工質(zhì)量不能達(dá)到要求，特別是混凝土構(gòu)件承載力不足導(dǎo)致在建工程或建成工程使用時(shí)在安全隱患，存在一定的潛在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致傷害事故的發(fā)生，在這種情況下，如何在不拆除現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的條件下對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行范圍內(nèi)的加固和修復(fù)是要解決的問(wèn)題，使用碳纖維復(fù)合材料為主要原料的纖維增強(qiáng)聚合布進(jìn)行加固，可以在不毀壞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)下，使混凝土結(jié)構(gòu)得到理想的增補(bǔ)效果。加下纖維增強(qiáng)聚合布施工過(guò)程中無(wú)需任何重型機(jī)械，施工空間不受限制的優(yōu)點(diǎn)，因此在維護(hù)和加固現(xiàn)有建筑中得到大量應(yīng)用。
2.1碳纖維復(fù)合材料在民用建筑加固方面的應(yīng)用
由于碳纖維增強(qiáng)聚合布的材料性能的特點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)聚合布大量應(yīng)用在民用建筑中，如梁、板、柱、頂、梁腹裂縫發(fā)展過(guò)大的構(gòu)件加固中。碳纖維增強(qiáng)聚合布加固可有效控制裂縫的發(fā)展。在使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)不同部位進(jìn)行加固時(shí)，操作手段、方法有一定差異。目前通常使用碳纖維布對(duì)鋼筋混凝土裂縫等進(jìn)行加固時(shí)首先選取合適粘合劑，以免造成粘合不緊密，加固效果差，在此基礎(chǔ)下注意粘貼在混凝土裂縫處。在對(duì)鋼筋混凝土抗彎構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，通常采用特殊粘合劑將碳纖維布粘貼于混凝土構(gòu)件強(qiáng)力受拉區(qū)，通過(guò)碳纖維布增加受拉區(qū)域強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)碳纖維布分擔(dān)工程結(jié)構(gòu)中混凝土鋼筋的承受拉力，提高混凝土構(gòu)件的抗彎承載力和受拉承載力。碳纖維復(fù)合材料加固損傷的受彎構(gòu)件時(shí)，結(jié)果表明，通過(guò)碳纖維布的加固，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，加固部位剛度恢復(fù)非常顯著，加固部位強(qiáng)度和加固量、損傷程度具有一定關(guān)系，通過(guò)加固，兩者都有不同程度的改善提高。在工程中使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行抗剪力加固時(shí)，一般要求將碳纖維復(fù)合材料粘貼于加固構(gòu)件的受剪力區(qū)，力求形成整體的拉力，促使碳纖維復(fù)合材料的作用類似于箍筋，從而形成一定的加固力量，有效控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。目前研究結(jié)果表明，理論下推算碳纖維復(fù)合材料的隨著外界條件變化應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，在實(shí)踐中用于加固混凝土構(gòu)件時(shí)，碳纖維復(fù)合材料達(dá)到的最大應(yīng)變值比較小。在加固混凝土構(gòu)件屈服后，碳纖維復(fù)合材料逐漸取代混凝土構(gòu)件箍筋的作用逐，從而有效提高構(gòu)件抗剪承載力，碳纖維復(fù)合材料對(duì)工程質(zhì)量提高程度與加固方式、加固量、帶間距及粘貼層數(shù)密切相關(guān)。因此實(shí)踐中使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)一定的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修和加固時(shí)，要區(qū)別對(duì)待，不同位置、強(qiáng)度的部件進(jìn)行加強(qiáng)所需粘貼量不同，過(guò)多過(guò)少都不利于加固效果的最優(yōu)化，如粘貼過(guò)量碳纖維增強(qiáng)聚合布，可能會(huì)導(dǎo)致不能充分的發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)聚合布的優(yōu)勢(shì)。由于碳纖維增強(qiáng)聚合布的可設(shè)計(jì)性的優(yōu)勢(shì)它與所加固構(gòu)建之間粘貼比較緊密，可以在不改變現(xiàn)有建筑外觀形狀的基礎(chǔ)下進(jìn)行整體加固，因此在一些對(duì)整體構(gòu)件加固質(zhì)量要求比較高，碳纖維聚合布在得到大量應(yīng)用，如對(duì)歷史建筑的搶救、保護(hù)和維護(hù)和原有建筑，同時(shí)構(gòu)件的整體抗震性能得到提高。
2.2橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
由于碳纖維復(fù)合材料的使用特點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)聚合布可以應(yīng)用在橋梁加固方面。如磨損、裂縫、局部塌陷的橋面，可以在保持現(xiàn)有混凝土構(gòu)件的情況下，通過(guò)適當(dāng)修補(bǔ)后加貼碳纖維增強(qiáng)聚合布，從而提高橋面堅(jiān)固程度和增加使用壽命，如一般采用將碳纖維增強(qiáng)聚合布粘貼于橋面板下面，在提高橋面整體平整的基礎(chǔ)下可以增強(qiáng)橋面板的抗彎及抗剪能力，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，目前碳纖維復(fù)合材料在橋梁建設(shè)方面的用途主要有兩類，現(xiàn)有橋梁的加固方面和新橋梁的建設(shè)使用。在橋梁加固方面碳纖維復(fù)合材料主要用于混凝土橋梁的基本構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、裂縫受彎構(gòu)件、抗彎構(gòu)件等的加固，加固的目的主要是提高橋梁的面板、構(gòu)件的抗彎、受彎、抗剪、軸向抗壓承載力等，橋梁建設(shè)加固方面碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在國(guó)外應(yīng)用廣泛，我國(guó)在這方面的工程實(shí)踐是在引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)下，結(jié)合我國(guó)橋梁工程和新材料發(fā)展?fàn)顩r，2003年7月對(duì)1971年建成的“寶成橋”進(jìn)行了加固維修。提高了大橋承載強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)大橋基本構(gòu)件提供了抗裂防腐的保護(hù)作用。但是碳纖維增強(qiáng)聚合布加固混凝土橋柱、橋梁時(shí)，應(yīng)注意原有混凝土構(gòu)件橫向膨脹性能促使外包碳纖維增強(qiáng)聚合布的局部環(huán)向剛度增大，導(dǎo)致混凝土原有構(gòu)件的脆性破壞，因此在應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)聚合布維修橋梁加固混凝土柱時(shí)要注意完全粘貼整個(gè)構(gòu)件。
3結(jié)論和建議
碳纖維復(fù)合材料是隨著纖維增強(qiáng)材料的研究而出現(xiàn)的一種新型建筑材料，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步較晚，但是發(fā)展比較快，目前碳纖維復(fù)合材料大量使用在我國(guó)民用建筑和橋梁建設(shè)中，主要用于對(duì)現(xiàn)有建筑的加固，因?yàn)樘祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被大量使用于可以應(yīng)用于砌體、混凝土結(jié)構(gòu)等的加固維護(hù)，取得了較好的效果。
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