国产碳纤维加固材料生产及应用现状

戴邵雷 戴素江

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-7887

摘  要：碳纤维加固材料是各类建筑维修加固补强的常用材料之一。碳纤维加固材料的生产工艺及种类繁多，对施工环境和施工的工法存在一些特殊的要求，同时受力方式与一般的各向同性材料有较大区别。本文分析了我国碳纤维原丝及碳纤维加固材料的生产情况，对比了国外相关产品的力学性能并分析了相关应用现状，对我国碳纤维加固材料的材料水平及加固应用水平进行评价。另外对比了国外碳纤维加固材料应用及相关规范发展，提出了我国碳纤维加固材料的发展前景。

关键词：碳纤维复合材料  结构加固  生产工艺  材料性能

中图分类号：TU746                           文献标识码：A                    文章編号：1674-098X（2021）01（c）-0067-04

Manufacturing and Applications of CFRP Strengthening Materials Produced in China

DAI Shaolei1  DAI Sujiang2

（1. Zhejiang College of Construction， Hangzhou， Zhejiang Province， 310000 China; 2. Jinhua Polytechnic， Jinhua， Zhejiang Province， 321000 China）

Abstract： Carbon fiber reinforced polymer （CFRP） is one of the commonly used materials for building maintenance and reinforcement. The production technology and variety of carbon fiber reinforced materials are various， there are some special requirements for the construction environment and construction method， and the stress mode is quite different from the general isotropic materials. This paper analyzes the production situation of carbon fiber precursor and carbon fiber reinforced materials in China， compares the mechanical properties of foreign related products， analyzes the related application status， and evaluates the material level and reinforcement application level of carbon fiber reinforced materials in China. In addition， the application of carbon fiber reinforcement materials abroad and the development of relevant specifications are compared， and the development prospect of carbon fiber reinforcement materials in China is put forward.

Key Words： CFRP composite; Structural strengthening; CFRP manufacturing; Mechanical properties

据联合国人居中心预测，2050年世界城市化水平将达到61%，发达国家城镇化水平将达到90%，同时，大量老旧结构亟待修缮、改造和加固。住建部下发的《城乡建设抗震防灾“十三五”规划》中，既有建筑的加固改造是抗震防灾建设的重中之重，中国自21世纪以来已步入新建与改造并存的建筑时代。在加固改造工程中，碳纤维作为一种强度高、自重轻、耐腐蚀、施工便捷的结构加固材料在各类加固工程中已经拥有广泛的应用。据统计，2019年我国建筑行业使用碳纤维原丝约3900t，其中80%以上用于老旧结构的加固维修。然而由于碳纤维制品的生产工艺及种类繁多，对施工环境及施工工法存在一些特殊的要求，错误的选择碳纤维加固材料会带来严重的后果。同时由于受力方式与一般的各项同性材料（如钢材等）有较大区别，在加固工程中如何良好地运用碳纤维加固材料达到既定的承载力目标是现今研究的重点之一。

1  碳纤维原丝的生产现状

自1959年美国联合碳化物公司UCC研制成功世界上最早的粘胶基碳纤维Thornel-25以来，碳纤维复合材料历经60年发展，产生了以聚丙烯腈基（PAN基）为主的，包含沥青基（MP）、粘胶基（VS）以及气相生产碳纤维等多种生产工艺的各类碳纤维原丝。碳纤维原丝制作普遍采用高温碳化工艺将有机纤维材料制成碳纤维丝束，以聚丙烯腈基碳纤维原丝为例[1]：先以丙烯腈聚合物纺丝制成聚丙烯腈纤维原丝;再对聚丙烯腈原丝进行预氧化、低温碳化、高温石墨化制成碳纤维丝;最后采用浸渍清洗及上浆的表面处理方法，清除原丝上附着的杂质，并引进极性或反应型官能团，利于后续树脂等基材的复合作用。

目前国内结构加固领域所用碳纤维材料产品采用的碳纤维原丝以聚丙烯腈基为主。早期碳纤维原丝完全依赖于进口，直至21世纪初随着我国工业化进程发展，以及国外产品的出口禁令等原因，逐渐催生了一批国产碳纤维原丝厂家，如威海光威、中复神鹰、中安信等具备生产较高品质碳纤维原丝的能力。国产化民用碳纤维原丝已可达对标日本toray生产的高强T800级、高模量M46级等的水平，国内外主要品牌的碳纤维原丝物理性能对比如表1所示。

2  碳纤维加固材料的生产与应用现状

2.1 碳纤维加固材料的生产现状

加固工程中广泛运用的碳纤维加固材料主要分为：碳纤维织物、碳纤维复合型材、预应力碳纤维系统及短切碳纤维添加剂等几大类。其中碳纤维织物搭配胶粘剂形成复合材料可应用于实际加固工程中，而短切纤维一般为混凝土或砂浆添加剂，用于提高混凝土或砂浆的延性。21世纪初，国产碳纤维织物由于编织工艺等技术问题，普遍存在碳纤维“起毛刺”、“断头再接”、“缠绕黏连”等现象，严重影响了产品的强度及稳定性。重要结构及项目中應用的碳纤维加固材料主要依赖于日本toray、瑞士Sika、德国Fisher、美国Simpson等欧美发达国家进口。近年来，以上海悍马建筑科技有限公司为首的国内加固材料生产厂家引进德国多尼尔编织技术，改良并优化碳纤维织物的编织工艺，对碳纤维原丝的编织张力及纬线张力进行精细化控制，生产的碳纤维织物强度可达4.2GPa，弹性模量可达240GPa。碳纤维复合型材的拉、挤技术始于美国，20世纪80年代我国开始引进国外生产线用于玻璃纤维型材的生产。通过在机械原理、新型树脂及固化剂等方面的优化升级，目前我国拉、挤纤维制品产量已占全球产量50%以上，拉、挤技术接近国际先进水平。表2列举了瑞士SIKA、美国TYFO、上海悍马、天津卡本等碳纤维织物的物理性能指标。

近年来，预应力碳纤维板技术也同样得到了加固行业的广泛关注，国内外大量专家学者对预应力碳纤维板的加固效率、疲劳性能以及不同的锚固形式作了大量的研究。各类预应力碳纤维板系统主要区别在于锚固或张拉形式有所差异，主流产品包括楔形机械夹持锚具、波形摩擦夹持锚具或胶粘型锚具等。其中较为成熟的有上海悍马的弧形锚具纯机械夹持技术、南京曼卡特的平板锚具机械夹持技术，天津卡本的楔形胶粘锚具技术。预应力碳纤维板已在国内许多加固工程尤其是桥梁领域中得到了广泛应用，相关技术已达到国际先进水平。

2.2 碳纤维加固材料的应用现状

改革开放以来我国基础设施建设呈爆发式增长，截至2019年底，全国公路总里程达484.65万km，公路桥梁85.15万座[2]。“四”、“五”类危桥近10万座，亟需进行修复与加固工程。同时截至2019年5月，我国现存老旧小区（2000年前）超16 万个，建筑面积约40亿m2，同样亟需加固改造。在国内的加固改造工程中，应用最为广泛的碳纤维加固材料为碳纤维织物与碳纤维复合板材两大类。在过去的研究及国家规范中普遍认为碳纤维复合材料作为一种各项异性材料，可设计为承受拉应力的作用，因此可用于混凝土结构抗弯承载力补强，抗剪承载力补强，竖向构件提高延性的抗震加固等方面。万秋实等[3]的研究表明混凝土梁的抗弯承载力在粘贴多层碳布时可得到较为显著的提升（三层时屈服荷载提升20%，极限承载力提升48%～64%），但是由于待加固构件的初始荷载难以全部卸除，同时由于胶粘剂与混凝土间粘接破坏与混凝土保护层的剥离破坏影响显著，需考虑混凝土基材实际强度与锚固措施的影响。周朝阳等[4]人的试验证明类箍筋形式粘贴碳纤维织物通过限制剪切斜裂缝的开展，能有效提高构件的极限荷载。在完全环绕粘贴避免碳纤维剥离的情况下提升极限承载力可达45%。卢春玲等[5]通过碳纤维布环绕包裹混凝土圆柱的轴心受压实验，以及江世永等[6]通过碳纤维布环绕包裹混凝土方柱的滞回实验，证明碳纤维环对柱的约束作用以及延性提高的作用。结构柱通过多层缠绕包裹碳纤维布，其抗压承载力提高量可达70.8%，混凝土部分对承载力的贡献提升量达118.6%，类似抗压设计计算亦可采用箍筋约束混凝土的计算方法。同时，碳纤维环绕包裹钢筋混凝土柱时，通过提升混凝土的名义压应力可显著提升混凝土的破坏应变，延性系数增幅可达151%。实际工程应用于设计案例中，碳纤维加固已作为一种常见的加固手段纳入GB50367-2013《混凝土结构加固设计规范》的主要条文中，涵盖了碳纤维织物、板材加固钢筋混凝土构件的正截面、斜截面以及延性加固设计方法与可靠度判定。

此外，预应力碳纤维板作为一种新型的主动加固工法，在改善既有结构形变以及补充各类预应力构件的预应力损失上亦有良好的应用。结构加固工程中使用的碳纤维板一般采用60%碳纤维丝束含量的单向碳纤维层合板，抗拉强度可达2400～2800MPa，弹性模量为160～240GPa。Ye[7]等设计的楔形自锁式锚具对于5cm宽幅以及10cm宽幅的碳纤维板均可达90%～100%其极限强度的张拉效率，同时在100MPa，2×106次的疲劳荷载下均能保持良好的承载情况。实际应用工程项目中，武汉军山长江大桥在2018年的修缮项目上应用了3220套上海悍马公司生产的2cm预应力碳纤维锚具，同样取得了良好的应用效果。

尽管碳纤维加固材料在梁、板、柱、墙等混凝土结构构件的压，弯、剪以及抗震延性加固等方面均有良好的表现，试验资料同样显示在使用碳纤维材料加固时，原钢筋混凝土结构仍要求有一定的承载力，碳纤维材料仅能提升而非替代原结构进行承载。

3  国外碳纤维加固材料的现状

自20世纪70年代以来，欧美发达国家已普遍步入建筑改造修缮为主的后建筑时代。以美国为例，根据美国土木工程师协会（ASCE）针对美国基础设施发布的年度报告，全美共计614387座桥梁中，40%已经使用50年以上，全国近10%的桥梁存在结构性缺陷，预计修缮费用达1230亿美元。全美基础设施评分仅为D+，截至2027年共需投入4.59万亿美元用于基础设施结构加固及修复，其中约有20%～30%将由碳纤维加固承担。依据美国ACI440.2R-17中条文，外粘纤维复合材加固既有建筑时，规范对其物理性能、耐久性能及耐环境侵蚀性能，如耐火耐潮湿等均作详细规定。相对于其他常用纤维复合材，如玻璃纤维与玄武岩纤维等，碳纤维在强度及模量方面均有较大优势。表3列举了常见纤维复合材料的基本性能范围。

从整体设计逻辑上，区别于国内规范对纤维复合材料的等级要求与限值要求，ACI440.2R-17对碳纤维性能的接受范围较为广泛，同时在整体构件失效形式上考虑了碳纤维破断以及混凝土受压区破坏两种可接受的失效，仅针对不同受力情况下的可靠度折减系数作进一步规定（折减系数φ取值介于0.55～0.65）。同时碳纤维加固材料在设计中更多作为一种新型建筑材料而非纯粹的加固材料所使用，因而规范中并未明确规定既有荷载以及附加荷载对整体结构的不利影响。

4  碳纤维加固材料的发展前景

碳纤维作为单一方向受力的加固材料，在传统加固领域的设计方法已较为成熟。然而由于配套材料的影响，在受力较为复杂的场合，碳纤维材料往往难以完全发挥其性能。近年来，由于碳纤维配套环氧树脂胶粘剂的发展，如抗氧化添加剂、耐高温树脂以及水下固化树脂的产生，碳纤维加固材料的设计应用场景也得到了一定的扩展。同时由于成熟锚固系统的出现，碳纤维与钢结构间的受力传导途径不再受制于胶粘剂的性能，碳纤维材料摆脱了界面剥离这种脆性破坏的影响，在钢结构上亦可以有更好的应用。同时由于数值模拟逐渐得到广泛应用，对复杂结构的实际应力情况和应力分布可以得到更加详细的结果，碳纤维加固材料在钢筋混凝土建筑抗震节点、索膜结构等受力复杂的领域也作出了一些贡献。此外由于各类新兴材料的发现，如记忆合金（SMA）与碳纤维板复合进行体外张拉等技术也得到了广大学者的关注，虽然目前应用较少，但具有很宽广的发展前景。

参考文献

[1] 刘瑞刚.高性能聚丙烯腈基碳纤维制备技术几点思考[J].纺织学报，2019，40（12）.

[2] 交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报[R].北京.2020.

[3] 万秋实，史欣鑫，宇翔.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J].辽宁科技大学学报，2019，42（1）：75-80.

[4] 周朝陽，刘君，吴中会.混锚预应力U形碳纤维条带抗剪加固混凝土梁试验研究[J].土木工程学报，2018，51（10）：1-10.

[5] 卢春玲，王鹏，王强.预应力CFRP布加固混凝土柱轴心受压性能研究[J].工程抗震与加固改造，2019，41（4）：99-107，166.

[6] 江世永，陶帅，飞渭，等.Experimental study on seismic performance of damaged engineered cementitious composite columns reinforced with CFRP bars and strengthened by CFRP sheets[J].建筑结构学报， 2019，40（6）：109-124.

[7] Ye HW，Liu CM，Hou SW，Wang TQ，Li XS.Design and experimental analysis of a novel wedge anchor for prestressed CFRP plate using pre-tensioned bolts. [J].Composite Structures，206（2018）：313-325

[8] ACI 440.2R-17（2017）.“Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures.” American Concrete Institute，Farmington，MI，USA.