碳纖維在土木建設(shè)中的應(yīng)用.doc

碳纖維在國內(nèi)外土木建筑中的應(yīng)用碳纖維及其復(fù)合材料是伴隨著軍工事業(yè)的發(fā)展而成長起來的新型材料，屬于高新技術(shù)產(chǎn)品，具有高比強(qiáng)度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，它既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此其近年來發(fā)展十分迅速，在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為是21世紀(jì)的新材料。 在土木建材領(lǐng)域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。為了改善這些弊端，人們利用碳纖維的力學(xué)特性，用混凝土或水泥做基體制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。由于碳纖維和芳綸纖維等其有強(qiáng)度高、模量大、比重小、耐堿腐蝕，對人畜無害等特點(diǎn)，在土木建筑應(yīng)用中日益受到人們的青睞。本文重點(diǎn)介紹短切瀝青基碳纖維復(fù)合材料在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用動(dòng)向。 1碳纖維增強(qiáng)混凝土碳纖維增強(qiáng)混凝土指的是短纖維或長纖維增強(qiáng)的混凝土材料。它主要用作高層建筑的外墻墻板。碳纖維增強(qiáng)混凝土的主要特征為；具有普通增強(qiáng)型混凝土所不具備的優(yōu)良機(jī)械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強(qiáng)堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸的穩(wěn)定性。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防地震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。短切碳纖維增強(qiáng)水泥所用碳纖維的長度為3、6mm，細(xì)度或?qū)挾确秶?20m，抗拉強(qiáng)度范圍在0.50. 8gpa。纖維增強(qiáng)材料歷史悠久，早在吉埃及文明時(shí)代，就曾經(jīng)使用過稻草增強(qiáng)曬干土磚，日本很早就將稻草或麻絲與黏土混合后用于土墻或抹灰墻中。到了近代，于1900年開發(fā)了石棉板，20世紀(jì)70年代則開發(fā)了鋼纖維增強(qiáng)混凝土（sfrc）和玻璃纖維增強(qiáng)水泥（crc），它們已經(jīng)作為現(xiàn)代建材被廣泛應(yīng)用。將力學(xué)性能優(yōu)異，化學(xué)性能穩(wěn)定的碳纖維用于土木建筑用的纖維復(fù)合材料是伴隨著碳纖維的工業(yè)化而發(fā)展的。開始用作建筑材料時(shí)，由于價(jià)格非常高，實(shí)用化受到影響。然而到了80年代，由于石棉被強(qiáng)制限制使用，以及較便宜的瀝青基碳纖維（短纖維）的開發(fā)，在土木、建筑方面開始得到實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。到了80年代后期采用長纖維碳纖維增強(qiáng)的各種frp長條、網(wǎng)及預(yù)浸帶來代替鋼筋和pc鋼材的研究日益增多，部分技術(shù)和產(chǎn)品于90年代得到實(shí)際應(yīng)用。自1984年由kajima，在伊拉克首次使用后，到目前為止，已有30多座大型建筑使用碳纖維增強(qiáng)混凝土外墻墻板。日本東京arkhollmori-building使用了32000m2的碳纖維增強(qiáng)混凝土墻板，每塊墻板的尺寸為1.47m3.76m。這些以重量3的纖維增強(qiáng)混凝土外板可承受630kgf/m2的風(fēng)壓。且外墻可實(shí)現(xiàn)減輕40%的重量，大樓鋼架整體重量減輕400t。2復(fù)合材料棒材建材工業(yè)中最廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料有鋼材和中碳鋼增強(qiáng)混凝土，鋼材的腐蝕會(huì)導(dǎo)致建筑物的災(zāi)難性破壞。碳纖維樹脂基復(fù)合材料棒材便成為人們開發(fā)出替代建材用鋼材的新型高性能建材的重要品種?；炷猎鰪?qiáng)用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料棒材最近在美國已經(jīng)商品化。據(jù)悉，商品名稱為cbartm，由美國marshallindustriescompositesoflima開發(fā)和生產(chǎn)的這種復(fù)合材料棒材，不腐蝕、不導(dǎo)電，重量是鋼材的1/4，熱膨脹系數(shù)與鋼材比較更接近混凝土，價(jià)格大約比環(huán)氧涂覆保護(hù)的鋼材貴20左右。使用復(fù)合材料棒材增強(qiáng)比使用中碳元鋼增強(qiáng)，其彎曲強(qiáng)度增加。復(fù)合材斜棒材和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度比元鋼和水泥的粘結(jié)強(qiáng)度高約50o。因此它可以在海堤、造紙廠、化工廠、高速公路護(hù)欄、房屋地基和橋梁等易腐蝕場合使用。在美國westvirgine的一座跨度為52m的橋上共使用了3okm碳棒復(fù)合材料棒材。3纖維增強(qiáng)膠接層板最近幾年woodcompositesengineering已經(jīng)成功地開發(fā)了纖維增強(qiáng)膠接層板技術(shù)和產(chǎn)品。這種纖維增強(qiáng)膠接層板是在木板的一面或二面膠粘一層或二層纖維增強(qiáng)膠接層板，以承受拉伸或壓縮載荷。纖維增強(qiáng)膠接層板制造技術(shù)的關(guān)鍵是纖維增強(qiáng)層板和木板之問的應(yīng)變匹配。纖維增強(qiáng)膠接層板表面的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層板具有良好的阻燃性能，一般采用拉擠工藝制備。所使用的增強(qiáng)材料為混雜的碳纖維和其它纖維（玻璃纖維），基體為環(huán)氧樹脂體系。由于使用纖維增強(qiáng)膠接層板比使用鋼桁架的天花板系統(tǒng)價(jià)格低8，比使用傳統(tǒng)木桁架價(jià)格低25，以及可明顯減少重量和減少木材的需求，纖維增強(qiáng)膠接層板目前發(fā)展很快，應(yīng)用日趨廣泛。4碳纖維復(fù)合材料片 碳纖維復(fù)合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）將定向排列的碳纖維束粘結(jié)起來制成的薄片。把這種薄片按照設(shè)計(jì)要求，貼在結(jié)構(gòu)物被加固的部位，充分發(fā)揮碳纖維的高拉伸模量和高拉伸強(qiáng)度的作用，來修補(bǔ)加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物。日本、美國、英國將該材料用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板，增強(qiáng)石油平臺壁及耐沖擊性能的許多工程上，獲得了突破性進(jìn)展。碳纖維復(fù)合材料片具有輕質(zhì)（比重是鐵的i/41/5），拉伸模量比鋼高十倍以上，耐腐蝕性能優(yōu)異，可以手糊，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，碳纖維復(fù)合材料片在修補(bǔ)加固已劣化的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物（約束裂紋發(fā)展、防止混凝土削落）和提高結(jié)構(gòu)物耐力以及對用舊標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的補(bǔ)強(qiáng)、加固應(yīng)用將越來越多。5其它應(yīng)用短碳纖維還可以以下幾種形式應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域：制作簾墻板（非承重墻）。日本鹿島公司在160和0. 98mpa壓力下高壓蒸汽固化8小時(shí)制作這種產(chǎn)品，是一種具有優(yōu)良耐老化性和突出機(jī)械特性的輕量板，此板可應(yīng)用于高層建筑和海邊耐腐蝕建筑。防水房頂涂層。水對.cfrc的透滲性非常低，因此可將碳纖維水泥混合物用于涂覆平坦的房頂，作為耐風(fēng)化和不透水的表面，且此涂層表面外觀優(yōu)美。短碳纖維的含量越高，耐擦傷和耐腐蝕性越高。電磁屏蔽板和導(dǎo)電板。由于碳纖維的高導(dǎo)電性，可消除來自大氣的放電和雷擊的靜電。cfrc可用作防止電磁輻射的屏蔽板、地下管線和地下結(jié)構(gòu)。 墻和防腐蝕涂層。耐磨鋪地材料。耐化學(xué)腐蝕性地板。 結(jié)語碳纖維在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還是一個(gè)全新的技術(shù)。過去因碳纖維的價(jià)格高、產(chǎn)量少，在航空航天領(lǐng)域以外的應(yīng)用有一定難