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碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑中的应用
来源：lzcf.com 发布时间：2019/1/22 17:03:46
碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑中的应用
本文介绍碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑上的应用，包括在基础设施和土木建筑上采用复合材料的优点，用碳纤维复合材料修复补强技术与应用，碳纤维复合材料应用在基础设施和土木建筑的研究推广计划和复合材料在基础设施和土木建筑上应用的标准和法规。
关键词： 碳纤维；复合材料；基础设施；土木建筑
据美国联邦高速公路局统计，全美国有57.5万座桥，约有三分之一即19.1万座桥梁因为年久腐蚀或有损伤裂纹需要维修。2003年联邦政府拨款35亿美元用于桥梁维修。其中5％采用复合材料，约合1.75亿美元。美国海军有40％码头需要用碳纤维复合材料进行增强修复。已经用碳纤维复合材料增强答复的海军码头有圣地亚哥12号码头、珍珠港Wharf Bravo码头和三叉戟潜艇基地华盛顿州Ban-gor码头等。因此，复合材料在基础设施和土木建筑的应用前景是极为广阔的。
基础设施和土木建筑上采用复合材料是基于复合材料有六大优点：耐腐蚀。美国的统计数字表明，由于腐蚀给美国带来的损失每年高达1379亿美元，在基础设施领域约为226亿美元，包括公路桥梁、输送管道、海港码头、机场、铁路和仓库等复合材料耐腐蚀性能远比钢材要好得多。采用复合材料取代传统用的钢材可以大大减少由于腐蚀造成的损失。减轻重量。复合材料的比强度和比刚度较钢材高得多。用复合材料取代钢材，可大幅减轻结构重量。例如在加拿大的Menitoba有座Headingley桥采用碳纤维复合材料增强加固。与钢材相比，碳纤维复合材料强度高6倍、重量轻20％。既减少了维护费用，又大大增加了工作寿命和服务年限。抗震能力强。美国加州大学圣地亚哥分校和美国佛罗里达大学的研究表明碳纤维复合材料外套增强桥梁可大大提高桥梁的抗地震能力。用碳纤维复合材料外套增强水泥桥墩和桥柱(无内增强)比钢筋增强水泥的桥墩和桥柱更牢固，具有更好的抗震能力。由于用碳纤维复合材料增强桥梁的桥墩和柱子有更大的允许弯曲变形，当横向或侧面用碳纤维复合材料增强后，水泥桥墩和柱子的压缩允许变形成数量级地增加。
碳纤维复合材料所形成的外套大幅提高了水泥桥墩和柱子的侧向刚度，大大提高了抗剪切应力的能力，而剪切应力往往是引发裂纹的主要起因，因此用碳纤维复合材料的外套增强桥梁可大幅度提高抗震能力。耐久性好。碳纤维复合材料具有极好的耐久性。日本三菱化学公司对用于基础设施的Replark碳纤维片材进行了3年室外曝露试验。研究结果表明3年室外曝露对拉伸强度和粘结强度没有影响。此后又做了相当于30~50年的加速曝露试验104h，结论又表明拉伸强度和粘结强度没有变化。寿命长。由于上述优点，因此用碳纤维复合材料取代钢材制备的基础设施构件的寿命长。操作、安装容易，速度快。复合材料的密度是钢材的1／4~1／5，复合材料的基础设施构件质量比钢制构件轻得多。因此，运输、操作及安装较钢制构件要方便、容易，而且时间短、速度快。
2 修补增强技术和应用[3~6]
碳纤维复合材料修复补强技术包括下述方法。
(1)Obayashi-Mitsubishi法。由日本三菱化学公司提出，其操作为：①首先对要求修复的表面清理，通常用打磨的办法；②打底子，通常打底漆；③打腻子(亦可不用此工序)：④刷底涂层(刷树脂)；⑤铺碳纤维复合材料片材Replark；⑥刷面涂层(刷树脂)；⑦表面涂漆或精加工。
(2)SIKA法操作为：①清理表面，去除损坏的水泥残块、填补裂纹、平整表面和喷沙清理；②在清理好的表面上涂覆Sikadur粘结剂；③将预固化的Cabodur条切割到要求的长度，去除残留在表面的尘渣；④在Cabodur条和水泥表面都涂覆环氧树脂，将其粘连在一起，不需任何捆扎或支撑，停留24h即可。
(3)Mbrace法操作为：①清除表面多余物，涂Mbrace底漆和打腻子；②Mbrace片材量料切割；③在要求修复的水泥表面涂上Mbrace浸渍剂，将碳纤维复合材料片材Mbrace对好并压实在其上；④30min后涂上第二种浸渍涂层。24~48h后涂表面涂层。
(4)带缠绕法使用碳纤维预浸带(或大丝束碳纤维)人工缠绕在要求增强的柱、墩、梁的表面。
(5)外套法采用碳纤维预浸料或碳纤维片材做成外套，覆盖在要求加强的柱、墩、梁的表面。
(6)自动缠绕法用湿法缠绕碳纤维束或碳纤维预浸料于水泥柱和墩等表面，以增强这些柱和墩。美国圣地亚哥的XX系统技术公司研制了自动缠绕设备-移动式ROBO缠绕机。
除了上述技术外，近期发展起来的还有碳纤维层压板修复历史建筑，碳纤维带维修桥，碳纤维壳建设新桥和用碳纤维棒修复海军码头等。应用实例如下：
(1)用碳纤维层压板修复历史建筑。比利时的ECC特种水泥维修公司用一种新的增强系统——Poly Coating Carbo-Comp Plus修复比利时恩塔威布动物园水族馆历史性建筑。Poly Coating Carbo—Comp Plus是一种碳纤维增强塑料层压板，含0°方向和±45℃方向的碳纤维，根据建筑和施工的要求，可用钢螺钉固定连接。由于馆内热带鱼要求高温高湿，该建筑腐蚀严重，地板和12根8m长的钢增强水泥主承力粱损伤破坏。原计划置钢板于承力梁底部，以恢复并提高梁的承载能力(5KN／㎡)，地板下再用钢梁支撑，以增加承载能力3倍。但钢梁难以运送到建筑内，因而不可能实施。这种新研发的材料在根特大学玛格奈尔水泥研究实验室进行了测试。结果表明用钢螺钉固定连接碳纤维增强塑料层压板，提高抗剪切破坏能力44％。水族馆用预制件现场施工。首先从损坏的水泥梁上去除碎裂块，然后用PC 5187／BL THIX环氧修补胶浆整直粱，使每一面的宽度相等。先用PC 5800环氧胶把8×103(长)×300(宽)×7．2(厚)mm的碳纤维增强塑料层压板粘在梁的底部，两端用钢螺钉固定。维修工程用了38d(用钢材加固预计需6个月)，费用降低了
400％。在维修时水族馆内的展品不用搬迁，照常对外开馆，梁的载荷能力增加到15KN／×，安全系数达到2.5。
(2)用碳纤维带维修诺萨圣霍拉桥。葡萄牙保托大学工学院土木工程系与葡萄牙机械工程和工业管理学院研究开发了一种复合材料增强体系，由同厚度为1.4mm单向增强碳纤维／环氧带组成。复合材料的拉伸强度2446MPa,模量163GPa，抗腐蚀和抗疲劳性能优越。该桥系钢筋水泥双箱梁结构，跨距50m由四个钢筋水泥桥墩支撑。因年久失修，出现许多纵向裂纹。维修时，首先从双箱梁内部铲除松碎材料，然后充填环氧胶膏，采用反向弯曲法加预应力。在梁表面涂覆环氧树脂底胶，并放置固化24h。再按需要的尺寸切割碳纤维层压带，粘贴在梁表面，粘贴时必须加压，务必使梁与碳纤维／环氧复合材料带间粘结剂厚度小于3mm。对新的复合材料体系缩比结构性能进行测试，表明刚度比原结构增加了一倍。
(3)用碳纤维壳建设King’s Stormwater channel桥。加州大学圣地亚哥分校研制开发了碳纤维壳体系(Carbon Shell System)。这是一种壁厚为9.5mm碳纤维／环氧树脂壳。碳纤维选用Hexel公司AS4D 12K碳纤维，树脂是Epon公司826环氧树脂，固化剂用壳牌化学公司的Epi-Cure9551。碳纤维／环氧树脂壳采用湿法沿90°和±10℃缠绕，以确保环向和轴向的强度。在安装后再将水泥填充于壳内，以保证壳的稳定性和抗扭曲能力。
这是美国第一座从设计到建造采用复合材料的最大型高速公路桥。桥长20m、宽13m，连接墨西哥和美国，交通极为繁忙。桥面板由Glassforms公司根据Martin Mafieta复合材料公司的技术生产的。玻璃纤维增强复合材料板桥面硬度较水泥桥面高20％，重量仅为其1／5。在37t载荷下，桥面变形约2.5mm；水泥桥面在小于23t载荷下，变形已达2.5mm。
(4)用碳纤维棒修复海军珍珠港Wharf Bravo码头。美国DFI拉挤复合材料公司用拉挤工艺产直径9.5mm碳纤维棒，采用PAN基高强碳纤维，双组份9300系列环氧树脂，胺基固化剂。碳纤维含量为65％，材料的拉伸强度1517MPa，拉伸模量138GPa。这种碳纤维棒用于修复码头。首先用快速固化的环氧腻子填充水泥桥面的表面裂纹，然在桥面每隔10mm切割凹槽，深度应确保碳纤维棒可以放入而不凸出表面。凹槽经喷沙、清理，涂复Sikadur55腻子，保证密封不漏气。在凹槽中灌入Sikadur32环氧树脂，碳纤维棒用手工铺放，用辊子压入环氧灌胶中，用不锈钢夹子保证碳纤维棒不移动。在环氧灌胶完全固化前，覆盖以3mm厚的水泥表层和两份60孔砂子和一份Sikadur22环氧树脂覆盖层，达到紫外线防护和降低热膨胀。快速固化使码头在修复24h后即可投入使用。美国海军设施工程服务中心George Warren博士认为碳纤维带用于修复海军码头不足以承受高密度载荷。用碳纤维棒修复的海军码头能承受9t重的钢材从2．5m高处落下，而桥面不受损伤。美国海军将继续用这种技术修复其他军用码头。
本文介绍碳纤维复合材料在基础设施和土木建筑上的应用，包括在基础设施和土木建筑上采用复合材料的优点，用碳纤维复合材料修复补强技术与应用，碳纤维复合材料应用在基础设施和土木建筑的研究推广计划和复合材料在基础设施和土木建筑上应用的标准和法规。
关键词： 碳纤维；复合材料；基础设施；土木建筑
据美国联邦高速公路局统计，全美国有57.5万座桥，约有三分之一即19.1万座桥梁因为年久腐蚀或有损伤裂纹需要维修。2003年联邦政府拨款35亿美元用于桥梁维修。其中5％采用复合材料，约合1.75亿美元。美国海军有40％码头需要用碳纤维复合材料进行增强修复。已经用碳纤维复合材料增强答复的海军码头有圣地亚哥12号码头、珍珠港Wharf Bravo码头和三叉戟潜艇基地华盛顿州Ban-gor码头等。因此，复合材料在基础设施和土木建筑的应用前景是极为广阔的。
基础设施和土木建筑上采用复合材料是基于复合材料有六大优点：耐腐蚀。美国的统计数字表明，由于腐蚀给美国带来的损失每年高达1379亿美元，在基础设施领域约为226亿美元，包括公路桥梁、输送管道、海港码头、机场、铁路和仓库等复合材料耐腐蚀性能远比钢材要好得多。采用复合材料取代传统用的钢材可以大大减少由于腐蚀造成的损失。减轻重量。复合材料的比强度和比刚度较钢材高得多。用复合材料取代钢材，可大幅减轻结构重量。例如在加拿大的Menitoba有座Headingley桥采用碳纤维复合材料增强加固。与钢材相比，碳纤维复合材料强度高6倍、重量轻20％。既减少了维护费用，又大大增加了工作寿命和服务年限。抗震能力强。美国加州大学圣地亚哥分校和美国佛罗里达大学的研究表明碳纤维复合材料外套增强桥梁可大大提高桥梁的抗地震能力。用碳纤维复合材料外套增强水泥桥墩和桥柱(无内增强)比钢筋增强水泥的桥墩和桥柱更牢固，具有更好的抗震能力。由于用碳纤维复合材料增强桥梁的桥墩和柱子有更大的允许弯曲变形，当横向或侧面用碳纤维复合材料增强后，水泥桥墩和柱子的压缩允许变形成数量级地增加。
碳纤维复合材料所形成的外套大幅提高了水泥桥墩和柱子的侧向刚度，大大提高了抗剪切应力的能力，而剪切应力往往是引发裂纹的主要起因，因此用碳纤维复合材料的外套增强桥梁可大幅度提高抗震能力。耐久性好。碳纤维复合材料具有极好的耐久性。日本三菱化学公司对用于基础设施的Replark碳纤维片材进行了3年室外曝露试验。研究结果表明3年室外曝露对拉伸强度和粘结强度没有影响。此后又做了相当于30~50年的加速曝露试验104h，结论又表明拉伸强度和粘结强度没有变化。寿命长。由于上述优点，因此用碳纤维复合材料取代钢材制备的基础设施构件的寿命长。操作、安装容易，速度快。复合材料的密度是钢材的1／4~1／5，复合材料的基础设施构件质量比钢制构件轻得多。因此，运输、操作及安装较钢制构件要方便、容易，而且时间短、速度快。
2 修补增强技术和应用[3~6]
碳纤维复合材料修复补强技术包括下述方法。
(1)Obayashi-Mitsubishi法。由日本三菱化学公司提出，其操作为：①首先对要求修复的表面清理，通常用打磨的办法；②打底子，通常打底漆；③打腻子(亦可不用此工序)：④刷底涂层(刷树脂)；⑤铺碳纤维复合材料片材Replark；⑥刷面涂层(刷树脂)；⑦表面涂漆或精加工。
(2)SIKA法操作为：①清理表面，去除损坏的水泥残块、填补裂纹、平整表面和喷沙清理；②在清理好的表面上涂覆Sikadur粘结剂；③将预固化的Cabodur条切割到要求的长度，去除残留在表面的尘渣；④在Cabodur条和水泥表面都涂覆环氧树脂，将其粘连在一起，不需任何捆扎或支撑，停留24h即可。
(3)Mbrace法操作为：①清除表面多余物，涂Mbrace底漆和打腻子；②Mbrace片材量料切割；③在要求修复的水泥表面涂上Mbrace浸渍剂，将碳纤维复合材料片材Mbrace对好并压实在其上；④30min后涂上第二种浸渍涂层。24~48h后涂表面涂层。
(4)带缠绕法使用碳纤维预浸带(或大丝束碳纤维)人工缠绕在要求增强的柱、墩、梁的表面。
(5)外套法采用碳纤维预浸料或碳纤维片材做成外套，覆盖在要求加强的柱、墩、梁的表面。
(6)自动缠绕法用湿法缠绕碳纤维束或碳纤维预浸料于水泥柱和墩等表面，以增强这些柱和墩。美国圣地亚哥的XX系统技术公司研制了自动缠绕设备-移动式ROBO缠绕机。
除了上述技术外，近期发展起来的还有碳纤维层压板修复历史建筑，碳纤维带维修桥，碳纤维壳建设新桥和用碳纤维棒修复海军码头等。应用实例如下：
(1)用碳纤维层压板修复历史建筑。比利时的ECC特种水泥维修公司用一种新的增强系统——Poly Coating Carbo-Comp Plus修复比利时恩塔威布动物园水族馆历史性建筑。Poly Coating Carbo—Comp Plus是一种碳纤维增强塑料层压板，含0°方向和±45℃方向的碳纤维，根据建筑和施工的要求，可用钢螺钉固定连接。由于馆内热带鱼要求高温高湿，该建筑腐蚀严重，地板和12根8m长的钢增强水泥主承力粱损伤破坏。原计划置钢板于承力梁底部，以恢复并提高梁的承载能力(5KN／㎡)，地板下再用钢梁支撑，以增加承载能力3倍。但钢梁难以运送到建筑内，因而不可能实施。这种新研发的材料在根特大学玛格奈尔水泥研究实验室进行了测试。结果表明用钢螺钉固定连接碳纤维增强塑料层压板，提高抗剪切破坏能力44％。水族馆用预制件现场施工。首先从损坏的水泥梁上去除碎裂块，然后用PC 5187／BL THIX环氧修补胶浆整直粱，使每一面的宽度相等。先用PC 5800环氧胶把8×103(长)×300(宽)×7．2(厚)mm的碳纤维增强塑料层压板粘在梁的底部，两端用钢螺钉固定。维修工程用了38d(用钢材加固预计需6个月)，费用降低了
400％。在维修时水族馆内的展品不用搬迁，照常对外开馆，梁的载荷能力增加到15KN／×，安全系数达到2.5。
(2)用碳纤维带维修诺萨圣霍拉桥。葡萄牙保托大学工学院土木工程系与葡萄牙机械工程和工业管理学院研究开发了一种复合材料增强体系，由同厚度为1.4mm单向增强碳纤维／环氧带组成。复合材料的拉伸强度2446MPa,模量163GPa，抗腐蚀和抗疲劳性能优越。该桥系钢筋水泥双箱梁结构，跨距50m由四个钢筋水泥桥墩支撑。因年久失修，出现许多纵向裂纹。维修时，首先从双箱梁内部铲除松碎材料，然后充填环氧胶膏，采用反向弯曲法加预应力。在梁表面涂覆环氧树脂底胶，并放置固化24h。再按需要的尺寸切割碳纤维层压带，粘贴在梁表面，粘贴时必须加压，务必使梁与碳纤维／环氧复合材料带间粘结剂厚度小于3mm。对新的复合材料体系缩比结构性能进行测试，表明刚度比原结构增加了一倍。
(3)用碳纤维壳建设King’s Stormwater channel桥。加州大学圣地亚哥分校研制开发了碳纤维壳体系(Carbon Shell System)。这是一种壁厚为9.5mm碳纤维／环氧树脂壳。碳纤维选用Hexel公司AS4D 12K碳纤维，树脂是Epon公司826环氧树脂，固化剂用壳牌化学公司的Epi-Cure9551。碳纤维／环氧树脂壳采用湿法沿90°和±10℃缠绕，以确保环向和轴向的强度。在安装后再将水泥填充于壳内，以保证壳的稳定性和抗扭曲能力。
这是美国第一座从设计到建造采用复合材料的最大型高速公路桥。桥长20m、宽13m，连接墨西哥和美国，交通极为繁忙。桥面板由Glassforms公司根据Martin Mafieta复合材料公司的技术生产的。玻璃纤维增强复合材料板桥面硬度较水泥桥面高20％，重量仅为其1／5。在37t载荷下，桥面变形约2.5mm；水泥桥面在小于23t载荷下，变形已达2.5mm。
(4)用碳纤维棒修复海军珍珠港Wharf Bravo码头。美国DFI拉挤复合材料公司用拉挤工艺产直径9.5mm碳纤维棒，采用PAN基高强碳纤维，双组份9300系列环氧树脂，胺基固化剂。碳纤维含量为65％，材料的拉伸强度1517MPa，拉伸模量138GPa。这种碳纤维棒用于修复码头。首先用快速固化的环氧腻子填充水泥桥面的表面裂纹，然在桥面每隔10mm切割凹槽，深度应确保碳纤维棒可以放入而不凸出表面。凹槽经喷沙、清理，涂复Sikadur55腻子，保证密封不漏气。在凹槽中灌入Sikadur32环氧树脂，碳纤维棒用手工铺放，用辊子压入环氧灌胶中，用不锈钢夹子保证碳纤维棒不移动。在环氧灌胶完全固化前，覆盖以3mm厚的水泥表层和两份60孔砂子和一份Sikadur22环氧树脂覆盖层，达到紫外线防护和降低热膨胀。快速固化使码头在修复24h后即可投入使用。美国海军设施工程服务中心George Warren博士认为碳纤维带用于修复海军码头不足以承受高密度载荷。用碳纤维棒修复的海军码头能承受9t重的钢材从2．5m高处落下，而桥面不受损伤。美国海军将继续用这种技术修复其他军用码头。
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