碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用日益增多。尤其是在橋梁和建筑物的建造中，因其卓越的強(qiáng)度與重量比以及對(duì)環(huán)境因素的耐久性越來(lái)越受歡迎。CFRP的整合使得結(jié)構(gòu)元素能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)解決方案和可持續(xù)的建設(shè)實(shí)踐。

行業(yè)規(guī)模及市場(chǎng)需求

根據(jù)市場(chǎng)研究公司MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)，全球CFRP市場(chǎng)規(guī)模在2022年約為297億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)603億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為12.7%。這其中，土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用占比不斷上升，成為推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要因素。

圖1：CF & CFRP全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)至2028年 (10億美元)

材料分析

CFRP復(fù)合材料的主要優(yōu)勢(shì)

- 高強(qiáng)度與耐久性：與傳統(tǒng)材料如鋼和混凝土相比，它們提供了超出的強(qiáng)度和耐久性，減少結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)提供足夠的強(qiáng)度，減少了維護(hù)和更換的頻率。

- 抗腐蝕性：與金屬增強(qiáng)不同，CFRP受腐蝕和潮濕因素影響小，非常適合惡劣的環(huán)境條件，尤其適合在橋梁和海洋構(gòu)件中應(yīng)用。

- 輕質(zhì)性：它們的輕質(zhì)性質(zhì)使得安裝容易并減少了結(jié)構(gòu)負(fù)載，這在地震區(qū)尤其有利。

CFRP復(fù)合材料的局限性

盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，CFRP復(fù)合材料也存在一些局限性：

- 成本：與傳統(tǒng)材料相比，高初始成本可能成為使用障礙。

- 脆性：CFRP復(fù)合材料的延展性較低，在需要靈活性的應(yīng)用中存在缺點(diǎn)。

- 熱導(dǎo)率和防火性：它們的熱導(dǎo)率較低，防火性不如傳統(tǒng)材料。

新材料研發(fā)

近年來(lái)，CFRP 復(fù)合材料的研發(fā)取得了顯著進(jìn)展。例如，納米結(jié)構(gòu)碳纖維、混合纖維增強(qiáng)材料和自感知 CFRP 材料等新型材料的開(kāi)發(fā)，為 CFRP 復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用提供了更多可能性。這些新材料不僅提高了復(fù)合材料的機(jī)械性能，還增加了其功能多樣性。

應(yīng)用情況

CFRP 復(fù)合材料在多個(gè)大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。例如，在某些橋梁加固項(xiàng)目中，通過(guò)外部粘貼 CFRP 層來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的載荷能力和抗震性能。此外，在一些高層建筑的建設(shè)中，CFRP 材料被用于構(gòu)建輕質(zhì)且耐久的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高了建筑的整體性能和安全性。

在混凝土梁中，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）作為外部增強(qiáng)或?qū)訅翰牧蠎?yīng)用，可以提高其抗彎強(qiáng)度和延展性，減少傳統(tǒng)鋼筋的使用，并延緩或防止由于腐蝕等原因?qū)е碌倪^(guò)早老化。Ying等人（2022年）和Lu等人（2022年）的研究分別旨在改善損傷評(píng)估技術(shù)和探索CFRP加固鋼筋混凝土（RC）梁的沖擊行為。

Lu等人在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中使用落錘研究了峰值撓度、破壞模式和沖擊力峰值，以確定CFRP增強(qiáng)梁和鋼筋混凝土（RC）梁的沖擊行為。采用高速相機(jī)和數(shù)字圖像 (DIC) 的方法觀察了其裂紋的動(dòng)態(tài)影響情況。

研究發(fā)現(xiàn)，在梁中添加碳纖維布可以有效地減小裂縫，并且可以提高沖擊速度，降低抑制作用。通過(guò)這些研究，CFRP在混凝土梁中的應(yīng)用得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，其在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性方面的潛力得以展示。這不僅有助于延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，還能提高結(jié)構(gòu)安全性，減少維護(hù)成本。

CFRP與混凝土梁粘接，以提高強(qiáng)度

江蘇某橋的腹板部位發(fā)現(xiàn)裂縫問(wèn)題，且承重能力有所下降。該橋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋排列緊密，不便于進(jìn)行新的鋼筋植入或鉆孔作業(yè)。鑒于此，采取了粘接CFRP板的方法完成橋梁的加固工作。

江蘇北部海塘的防浪墻出現(xiàn)了墻身?yè)p壞和裂縫，存在安全隱患。考慮到墻身內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便進(jìn)行傳統(tǒng)的加固作業(yè)，因此采用了粘接CFRP網(wǎng)格的加固方案。此方法不僅施工簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，還保證了加固的快捷性。在堤防設(shè)施的維修加固中，這種技術(shù)展現(xiàn)出了良好的適用性和先進(jìn)性，是值得在相似工程中推廣應(yīng)用的解決方案。

（來(lái)源：《城市道橋與防洪》）

二、CFRP板材提升建筑性能

(來(lái)源：Iife magazine)

除了史蒂芬·喬布斯劇院，芝加哥密歇根大道、伊斯坦布爾、臺(tái)北、昆明等地的蘋(píng)果零售店也都采用了相仿的碳纖維復(fù)合材料屋頂與玻璃外墻組合結(jié)構(gòu)，延續(xù)了蘋(píng)果公司獨(dú)特的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

(來(lái)源：Iife magazine)

產(chǎn)能利用率及經(jīng)濟(jì)效益分析

隨著 CFRP 復(fù)合材料在的需求增加，生產(chǎn)廠商也在不斷擴(kuò)展產(chǎn)能以滿足市場(chǎng)需求。當(dāng)前，全球多個(gè) CFRP 生產(chǎn)基地的產(chǎn)能利用率較高，特別是在亞太地區(qū)和北美地區(qū)，這些地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目眾多，對(duì)高性能材料的需求也更為迫切。

根據(jù)Grand View Research的數(shù)據(jù)，202土木工程中1年全球CFRP的總產(chǎn)能約為15萬(wàn)噸，產(chǎn)能利用率約為75%。其中，中國(guó)和美國(guó)是主要的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，分別占全球產(chǎn)能的約30%和25%。

盡管 CFRP 復(fù)合材料的初始成本較高，但其長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益顯著。首先，CFRP 材料的高強(qiáng)度重量比和耐久性減少了結(jié)構(gòu)的維修和更換成本。其次，CFRP 材料的輕質(zhì)特性使其在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中更加高效，降低了相應(yīng)的物流和施工成本。此外，CFRP 復(fù)合材料的耐腐蝕性能使其在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用中具有更長(zhǎng)的使用壽命，進(jìn)一步提高了其經(jīng)濟(jì)效益。

一項(xiàng)由Technavio進(jìn)行的市場(chǎng)分析顯示，CFRP材料在橋梁加固項(xiàng)目中的應(yīng)用能夠?qū)⒕S護(hù)成本降低約30%，并且由于材料壽命延長(zhǎng)，總體成本降低了20%以上。

總體而言，碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用前景廣闊。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增加，CFRP 復(fù)合材料將在更多領(lǐng)域中展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，成為土木工程中不可或缺的重要材料。