土木工程中碳纤维复合材料的运用研究

土木工程中碳纤维复合材料的运用研究

巩孝彬

临沂市人民医院山东临沂276000

【摘要】基于碳纤维复合材料自身优异的力学特性，近年来在土木工程施工建设中应用的非常普遍，而且效果非常好。本文结合碳纤维复合材料的特性和目前应用的实际情况，分析阐述了在利用中需要解决的主要问题，希望给土木工程施工设计人员提供一定的借鉴参考。

【关键词】土木工程；碳纤维材料；施工应用分析

一、前言

通常来说，碳纤维复合材料主要包括日常生活中常用的玻璃纤维、芳纶纤维和小碳纤维等，一般强度比较高、重量比较轻而且有一定的抗腐蚀性能。所以上个世纪80年代初期，这种复合材料就经常在军工、航天、造船等各种工程施工中使用，而且效果还非常理想。近年来伴随着经济社会的不断发展和现代科技水平的不断改善，很多专家和技术人员对这种施工材料进行了改进，并且应用推广到了土木工程施工建设领域，有效地提升了混凝土材料的坚固性能，笔者试就土木工程中应用碳纤维复合材料谈些粗浅的认识。

二、碳纤维复合材料的使用特性

碳纤维复合材料作为一种新型的建筑施工材料，物理力学性能非常显著，使用范围也非常广，尤其是应用到土木工程施工建设领域，对增强和修复混凝土拌合物的坚固程度，具有独特的补强效果，使得土木工程的建筑结构质量得到了很好的保障。但是当前这种碳纤维材料的研发生产技术在国内仍然不是很先进，所以一般使用的仍然是国外结构的碳纤维片材料，比如单双向织布和单向片等在工程施工中就经常能够见到。目前普遍应用在土木工程施工建设中的是碳纤维增强塑料这种复合材料，这种材料对于制作工艺和力学效果要求非常高，同时在现场施工与使用年限上也有严格的质量规范标准。不过这种复合材料自身重量不是很大、坚固程度特别好，相对于普通的钢结构施工材料，其施工强度要高过几十倍，弹性模量要好很多，抗腐蚀的程度和使用持久性也非常高，所以在物理力学效果方面具有很独特的功能，能够有效地改善土木工程建筑施工的坚固程度，保证施工质量。

三、土木工程中碳纤维复合材料应用的实际情况

1.外国应用碳纤维材料的实际情况

当前在土木工程项目施工建设中应用这种碳纤维复合材料，主要是添加到混凝土拌合物里，生成一种新的带有碳纤维成分的施工材料，增加建筑结构的施工强度。一般情况下，通常是把碳纤维材料设计为与钢筋材料具有同等功能的棒材，取代钢筋应用到传统的拌合物施工过程，然后在大型的土木工程中施工运用。再就是对大型土木工程进行施工时，施工人员把这种碳纤维复合材料制作成绳子的形态，起到工程施工中的拉索作用，虽然并未有效地发挥锚固功能，不过目前也运用到了土木工程项目建设领域。由于这种新型材料对混凝土进行了加固，施工坚固效果比较好，同时又有非常好的使用寿命和防腐蚀作用，能够有效地防范和解决混凝土开裂的问题，使工程质量能够得到很好的保证。

因此从1980年开始，很多西方国家逐渐在混凝土材料施工的时候使用了这种新型的碳纤维复合材料，以增强坚固效果和耐久、耐腐作用；进入1990年以后，又在工程施工中普遍使用了这种材料，使得工程质量得到了稳步的提高。近年来，在进行常规工程施工应用的同时，很多西方发达国家由于已经纯熟地掌握了研发生产技术，在土木工程施工中也进行了大规模的使用，开辟了工程建设领域广阔的应用前景。

2.我国应用碳纤维材料的实际情况

国外应用这种碳纤维复合材料进行工程加固施工起步虽然很早，但是在我国却应用的比较晚，只是最近几年的事情，不过发展却相对比较快，很多国内的名牌大学和科研单位都研究分析了这种新型建筑施工材料的使用性能，尤其是对这种材料在楼层板、连接梁、支撑柱等结构施工应用和加固技术等方面获得了很大的进展，而且也逐渐应用到了工民建、市政道桥、地下工程等项目，都取得了很好的成效。碳纤维材料在我国的应用，使我国的建筑技术有了更进一步的发展，并且提高了混凝土拌合物的坚固程度，提高了建筑物的抗剪力侧压力，使建筑物更坚固耐用。而且从上个世纪90年代末期开始，在很多建筑工程施工中的结构抗弯矩、耐剪力和防外压性能的研究方面，都取得了明显的成果，未来在土木工程中的利用空间将更为广阔。

四、碳纤维材料应用中需要解决的问题

1.在力学性能方面需要解决的难题

利用碳纤维复合材料提高混凝土拌合物的坚固程度，目前这种新型技术方法在国际上已经得到了广泛认可，而且很多专家学者包括业界人士都针对其力学性能进行了深入的研究探讨，并取得了一定成果。但是仍然有一些难题亟需解决：一是虽然对土木工程建筑结构坚固程度的物理力学效果进行了研究，不过在理论分析和数据测算方面相对来说仍非常薄弱，而对于这种新型混凝土修复增强技术的未来走向来说，这种研究又非常关键。二是应用这种碳纤维复合材料，用于增加混凝土建筑结构的坚固性，是否会造成原有的钢筋结构出现一定程度的屈服效果、是否会破坏原有的建筑结构、是否会造成混凝土表面出现粘结损坏，目前还要做进一步的分析测试。三是目前虽然采用碳纤维复合材料进行土木工程施工，具有很强的抗弯矩、耐剪力和防测压等效果，但是如果这些外力破坏情况全部施加到碳纤维材料建筑结构上，是否会制约碳纤维复合材料使用量和施工技术方法的运用，目前仍然需要进一步的研究探讨。四是否具有良好的抵御地震破坏和对抗结构疲劳等作用，目前分析研究不够，一定程度上将影响碳纤维复合材料在土木工程中进行坚固使用的年限问题。五是采用碳纤维复合材料进行土木工程施工，相对应其他的建筑材料来说，是否能够发挥整体效应，承担重力是否能够破坏建筑结构的部分区间，是否会降低连接点的支撑作用，目前也还需进一步的分析测试。

2.在技术方法方面需要解决的难题

一方面，目前在我国采用这种碳纤维复合材料进行土木工程施工，很多碳纤维产品仍然需要从国外购进，不仅增加了施工成本，而且也制约了新材料、新技术、新工艺的研发推广，制约了民族工业和建筑行业的健康协调发展，虽然近年来国内已经研发生产了PAN基碳纤维材料，坚固程度也保持在了2000-3000兆帕左右，弹性模量也控制到了大约2.1*105兆帕的系数，可以实现增加建筑结构坚固程度的需要，但是在材料的加工处理方面仍需要改进质量。

另一方面，目前在国内仍然沿袭国外的技术规范标准，随着我国社会主义市场经济的日趋完善和经济社会发展的逐步加速，很多加固修复技术方法已经越来越不适应土木工程建筑施工的客观实际，迫切需要我们研究制定适合中国特色的技术规范标准和施工操作流程，以提高碳纤维复合材料施工应用技术，提高土木工程建筑质量。

五、结束语

基于碳纤维复合材料良好的应用性能，目前在土木工程项目施工建设中应用的越来越广泛，不仅增加了传统混凝土拌合材料的坚固性能，增强了建筑结构的使用年限，而且促进了建筑施工行业的健康快速发展，相信通过对一些研发生产技术、物理力学性能的不断改进完善，将迎来更为广阔的发展空间。

参考文献：

[1]李泽强.浅谈土木工程中碳纤维复合材料的应用（J）.科技创业家.2012（24）.

[2]葛自立.土木工程中碳纤维复合材料的运用研究（J）.当代化工.2015（1）.

[3]张洁.国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料.2007(03)