鋼筋混凝土結構在實際服役環境下，由于構件老化、鋼筋銹蝕，結構的使用壽命受到影響。因此，通過開發新型材料來提高結構性能已經成為土木工程領域的一個趨勢。其中，碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）憑借其比強度高、抗疲勞、耐腐蝕等優良性能脫穎而出，成為土木工程的研究熱點。CFRP 材料問世于20 世紀40 年代，其最初應用局限于航天、軍事和船舶工程領域，后來范圍逐步擴大到土木工程領域。我國于1975 年召開了全國第一次碳纖維復合材料會議，將CFRP 材料納入國家科技攻關項目。經過近40 年的發展，我國CFRP 材料在土木工程中的應用基礎研究取得了一定成果，但距大規模工程應用還存在一定差距。

    碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP） 的物理特性和碳纖維基體及與其復合的樹脂、塑料、橡膠等基體材料的性能有關，對其后期使用性能有重要影響。

    碳纖維增強樹脂基復合材料的物理特性

    碳纖維增強樹脂基復合材料主要由兩大部分組成：碳纖維和樹脂基體。碳纖維主要由高分子材料如黏膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等經高溫燒制而成。樹脂基體主要采用環氧樹脂和聚酰亞胺樹脂。碳纖維復合材料的制作過程一般如下：先將碳纖維在樹脂中預浸后，按一定方式鋪層，再經過加溫加壓、固化等工序成型，形成的復合材料具有優異的性能，如環氧樹脂基碳纖維（EP/CF） 復合材料的比強度為鋼的4.8~7.2 倍，比模量為鋼的3.1~4.2 倍，疲勞強度約為鋼的2.5 倍、鋁的3.3 倍，而且高溫性能好，工作溫度達400℃時，其強度與模量基本保持不變。此外，還具有密度和線膨脹系數小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗沖擊等。在現有結構材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中，EP/CF 復合材料具有易大面積整體成型、成型穩定等獨特的優點。不同纖維種類的CFRP 的基本力學性能如下表所示。

    常用CFRP的基本力學性能

    碳纖維增強樹脂基復合材料其他方面的物理特性如下。

    熱導率

    樹脂基碳纖維復合材料的熱導率在中溫區100~400K，隨著碳纖維體積含量的增加而增大；在100K 以下，變化較小，在極低溫區變化消失。強度不同的碳纖維復合材料，只要碳纖維是同類型、同排布、同體積含量，則熱導率相差不大。平行于纖維排布方向的熱導率一般要大于垂直于纖維排布方向的熱導率。

    熱膨脹性能

    樹脂基碳纖維復合材料的熱膨脹性一般較小，平行于纖維方向的系數比垂直于纖維方向的系數約小一個數量級，且熱膨脹系數與溫度有關，當溫度下降時，平行于纖維方向的系數略有上升或基本不變，垂直于纖維方向的系數下降。影響樹脂基碳纖維復合材料熱膨脹的因素主要是排布方式、比例、溫度和濕度。其中影響較大的是排布方式和比例。對于同樣材料比例的樹脂基碳纖維復合材料，單層、有規律排布的熱膨脹系數可由理論推導的公式計算。對于多層復雜排布的熱膨脹系數，可從單層估計其變化趨勢。

    硬度

    樹脂基碳纖維復合材料具有一定的硬度。但此硬度會隨碳纖維含量的變化而發生相應變化。研究表明，當碳纖維含量從5％提高到30％時，復合材料的平均硬度從77HV 提高到367HV，可以看出復合材料的硬度提高幅度很大，但并非線性增加。開始增加較小，當碳纖維含量大于10％以后，硬度增加非常快；當碳纖維含量大于25％以后，硬度值變化趨于平緩。

    電阻率

    碳纖維復合材料具有一定的導電性。研究表明，在碳纖維/酚醛樹脂復合體系中，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的電阻值下降，導電性能提高。電阻值的下降與纖維含量的增加并不成正比，而是有一個滲濾閾值，這個滲濾閾值約為15％。當碳纖維含量高于15％時，復合材料具有一定的導電能力。

    耐磨性

    研究表明，隨著碳纖維含量的增加，復合材料的耐磨性提高，但其提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小，碳纖維含量大于20％后趨于不變。

    CFRP 材料作為橋梁索結構的應用研究

    大跨系桿拱橋

    現代大跨系桿拱橋造型優美、跨越能力良好，是現代大跨橋梁結構中一種極具競爭力的橋型。目前關于CFRP 在系桿拱橋中的應用的研究相對較少。

    斜拉橋

    斜拉橋具有外形美觀、結構剛度大、跨越能力較強、相比于自錨式懸索橋和拱橋施工簡單等優點。CFRP材料用于大跨徑斜拉橋的拉索，不僅可以充分利用其高強性能，還可減輕斜拉橋上部結構自重，提高斜拉橋跨越能力和承載效率。瑞士于1996 年在Stork 斜拉橋上成功應用了CFRP斜拉索，其拉索匯集于塔頂，在A形塔頂部的箱錨室內錨固。丹麥于1999 年建成總長80m 的Herning 人行斜拉橋，使用了16 根CFRP 斜拉索。2005 年，中國首座CFRP 索人行斜拉橋在江蘇大學建成。該橋總長度51.5m，最大跨徑30m，為獨塔雙索面鋼筋混凝土斜拉橋。索塔兩側各布置4 對拉索，斜拉索全部采用Leadline 型CFRP 筋材，有6-D8、11-D8、16-D8 三種索型，拉索錨固系統采用了套筒黏結型錨具，并在固定端錨下設置了永久性應力傳感器，用于長期監控。

    江蘇大學CFRP試驗橋

    由于索自重垂度的影響，呈現出較強的非線性，索在不同構形和荷載條件下的靜動力特性和地震響應分析較為復雜，并且結構對風的敏感程度很高，極易在風和雨的激勵下發生大幅度風雨激振。

    懸索橋

    懸索橋具有受力性能好、抗震性能好、橋型美觀、跨越能力強等優點，是特大跨度橋梁的首選橋型。隨著跨徑的增大，高強鋼絲主纜中的恒載應力比例增加，選用CFRP 材料可以在一定程度上緩解超大跨徑懸索橋主纜自重問題。1999 年日本在跨徑為1030m 的Kurushima 懸索橋中，首次采用CFRP 束作為貓道的主要纜索。在尚未完全了解CFRP 在實際環境中的長期性能的情況下，還無法將CFRP用于懸索橋的主纜，因而目前CFRP 在懸索橋建設中的應用十分有限。

    懸索橋由于主纜靠自身變位來平衡外荷載，使其具有明顯的幾何非線性特征，在跨度增大后，結構趨于輕柔，對風的作用更加敏感，抗風穩定性往往成為控制設計的最關鍵的問題。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：劉洋

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414