碳纖維混凝土研究及發(fā)展

1、信息檢索與利用課程綜合大作業(yè)碳纖維混凝土研究及發(fā)展探析B工管10X XXXXXXX XXX摘 要：碳纖維材料具有高強度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和遠紅外輻射等諸多優(yōu)異性能。它的出現(xiàn)和廣泛運用將會改變我們的生活方式和提高我們的生活質(zhì)量。本文從碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能、加固原理、施工工藝等方面論述了碳纖維材料在土木工程中的應(yīng)用，具有一定的推廣意義。關(guān)鍵詞：碳纖維；混凝土；加固1碳纖維混凝土加固技術(shù)研究的意義2.1 碳纖維混凝土加固技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢長期以來，水泥、鋼鐵和木材一直是土木工程中廣泛使用的三大建筑材料。由水泥和砂石骨料所組成的混凝土具有較高的抗壓強度,而且

2、耐水、耐火、耐腐蝕，加之近幾十年來的科學研究和工藝改進，混凝土制備技術(shù)已較為成熟，因此作為一種成本低、可靠性高的建筑材料，混凝土在21 世紀的建材行業(yè)中仍將是人們的首選對象。 但混凝土是脆性材料，抗拉強度低、韌性差，無法單獨完成大型建筑如大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。用鋼筋作為增強材料的鋼筋混凝土極大地改善了混凝土的抗拉、抗折性能，使得混凝土的大范圍使用延續(xù)至今。然而，鋼筋不耐腐蝕，在較為惡劣的環(huán)境下，銹蝕嚴重，喪失與混凝土的結(jié)合能力，使結(jié)構(gòu)無法達到預(yù)定的設(shè)計效果。1、2就目前國內(nèi)外研究狀況來看，碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維等已成為混凝土增強材料的主要研究對象。而碳纖維具有強度高、模量大、耐腐蝕等優(yōu)點，

3、使其在混凝土增強研究中倍受人們關(guān)注,顯示出旺盛的生命力。2.2碳纖維混凝土技術(shù)研究的目的、意義面對建筑材料發(fā)展中不斷產(chǎn)生的新問題，建材研究工作者不斷尋求新的解決方案。纖維增強水泥、纖維增強混凝土這一類復(fù)合材料發(fā)展很快，用石棉纖維、鋼纖維和玻璃纖維增強混凝土的復(fù)合材料在工程中有了廣泛的應(yīng)用。但是由于石棉纖維有害健康，鋼纖維易銹蝕，玻璃纖維不耐堿腐蝕的缺點，使人們認識到尋求代替鋼筋的新型增強材料仍然任重而道遠。33碳纖維混凝土加固技術(shù)研究的內(nèi)容3.1 研究開發(fā)內(nèi)容和重點解決的關(guān)鍵問題3. 1.1 碳纖維及其性能碳纖維作為先進復(fù)合材料中重要的增強材料之一,世界各國對碳纖維都給予了高度的重視，因此近年

4、來碳纖維的制造技術(shù)有了顯著的進步，其生產(chǎn)量和使用量也與日俱增,可以說碳纖維進入了高速發(fā)展的新時期。4 碳纖維是一種以碳為主要成分的纖維狀材料。天然纖維、再生纖維和合成纖維都可用來制備碳纖維。目前，制作碳纖維的主要原材料有人造絲(粘膠纖維)、聚丙烯腈(PAN)纖維和瀝青。碳纖維常依據(jù)原絲類型分成聚丙烯腈( PAN) 基碳纖維、瀝青基碳纖維和纖維素基碳纖維三種。5,6在水泥基復(fù)合材料中通常使用聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維。 此外也可按性能和功能進行分類.碳纖維具有密度小、強度高、模量高的特點。 與鋼鐵相比,密度小35 倍，而強度則高45倍。 但碳纖維沖擊韌性低,斷裂過程在瞬間完成,不發(fā)生屈服，是

5、典型的脆性材料。6 另外碳纖維還具有良好的導(dǎo)電性,并且耐腐蝕，對人畜無害。由于碳纖維表面存在具有活性的羧基和羥基,經(jīng)表面氧化處理后，能與含豐富羥基的水泥進行較強的化學結(jié)合。 用電子顯微鏡觀察，碳纖維的表面很粗糙，這有利于它與水泥的物理結(jié)合。 有了化學與物理的雙重結(jié)合作用，為碳纖維在水泥基材料中的復(fù)合提供了可行性。7,83.1.2 碳纖維混凝土研究開發(fā)內(nèi)容3.1.2.1 短切碳纖維增強混凝土3.1.2.1.1 短切碳纖維增強混凝土的制備短切碳纖維增強混凝土的制備技術(shù)是影響混凝土材料復(fù)合性能的關(guān)鍵。目前，日本已成功研制出碳纖維強化水泥，并且能預(yù)拌均勻成袋銷售。而在我國，由于實際條件的限制，主要還是

6、以就地均勻攪拌為主，對攪拌設(shè)備、投料順序、攪拌物性能指標也正在進行反復(fù)的實驗研究。碳纖維在混凝土中能否均勻分散，將直接影響復(fù)合材料的整體性能。攪拌時采用多排全方位直葉片攪拌機的效果要優(yōu)于全方位無葉片攪拌機和傳統(tǒng)的水泥膠砂攪拌機，而且可以避免纖維上浮成團現(xiàn)象和纖維纏繞葉片而導(dǎo)致纖維損傷的情況9。除了選擇合適的攪拌設(shè)備外，在攪拌過程中加入分散劑是十分必要的。目前通常使用的分散劑有甲基纖維素、膠乳液和硅粉10,11。就分散效果而言，研究表明膠乳液要優(yōu)于甲基纖維素溶液，但甲基纖維素價格便宜，目前研究及使用較為普遍。碳纖維的混合方式一般有干混和濕混兩種10。 濕混用甲基纖維素、膠乳液等表面活性劑水溶液先

7、與碳纖維拌合，再加入水泥、沙子進行攪拌。干混則用碳纖維和水泥直接攪拌，再與水調(diào)合。在干拌階段使用硅粉作為分散劑效果明顯。因為硅粉粒徑只有幾個微米，小于碳纖維的直徑，易于分散到纖維中間，但由于硅粉價格昂貴，大量應(yīng)用受到限制。碳纖維增強混凝土(CFRC)的制備過程是一個復(fù)雜的過程，其制備工藝與普通混凝土的制備工藝有所區(qū)別，如外加劑含量、種類的選擇及各種工藝參數(shù)。這些因素將最終影響CFRC的整體強化性能，例如羧甲基纖維素加入后會降低基體材料拌合物原有指標值。 當這種降低超出了拌合物性能控制指標適宜范圍時，反而會影響纖維的均勻分散，因此使用時可將甲基纖維素與分散性減水劑混合摻用，提高綜合效能9。另外，

8、在濕法制備工藝中會產(chǎn)生大量的氣泡，對基體性能有影響，需采用適當?shù)南輨﹣硐龤馀?。常用的消泡劑有膠體1010 等12。當碳纖維與混凝土攪拌均勻后,可采用澆注法、擠出法、壓制法等方法進行成型加工12。成型后適當?shù)酿B(yǎng)護尤其重要。通常將制好的樣品放入養(yǎng)護箱標準養(yǎng)護28 d 后,再將樣品置于空氣中自然養(yǎng)護。如果不具備上述條件，也可將樣品放入靜水養(yǎng)護，到一定齡期后，取出洗凈、晾干12,13。3.1.2.1.2 短切碳纖維增強混凝土的力學性能碳纖維加入混凝土后，能夠較顯著地改善混凝土的力學性能。目前普遍認為存在兩種機理，即增強機理和增韌機理。由于碳纖維的模量高于混凝土，在復(fù)合材料受載后,界面起傳遞載荷作用

9、。在發(fā)生相同應(yīng)變的情況下，碳纖維將承受較大的載荷，從而分擔了基體所承受的載荷，提高了整體的強度。另外由于碳纖維的存在，極大地阻止了水泥基體中裂紋的擴展,從而實現(xiàn)了增韌的效果14,28。a. 抗壓強度?；炷恋钠茐呐c內(nèi)部微裂紋的發(fā)展密切相關(guān)，由上述機理可知，碳纖維對混凝土的橫向變形施加約束，阻止裂紋自由擴展，在一定程度上提高了復(fù)合材料的抗壓強度。b. 抗拉和抗彎強度。碳纖維的加入，能夠較好地改善混凝土的抗拉、抗彎性能。 這已為許多試驗所證實14,15。加入3 %的瀝青基碳纖維可使混凝土的韌性增加，撓曲拉伸強度約提高2倍。由于碳纖維增強混凝土的制備工藝較為復(fù)雜,影響性能的因素也較多。目前研究顯示，

10、纖維的長度、含量及水灰比、外加劑等都會影響其最終強度10 ,15。碳纖維直徑及長度一定時，拉、抗折強度會隨碳纖維含量增加而升高，當含量過大時，于分散發(fā)生困難，度反而降低。碳纖維含量不變，纖維長度變化時，拉、折強度會隨長度增加而增加，一定值后出現(xiàn)下降現(xiàn)象。這是由于纖維長度增長，拌時纖維易于纏結(jié)，散不均，性能反而惡化?；冶鹊倪x擇在制備中也相當重要?；冶冗^大，然要影響基體的強度，小則水泥漿體過于粘稠，利于纖維分散。加劑的加入，方面有利于纖維的分散，一方面能改善纖維與界面的粘結(jié)程度,并能提高基體的強度。c.影響復(fù)合效果的機理分析. 目前認為影響復(fù)合材料性能的原因大致有如下一些。首先分散效果對抗壓、抗拉

11、性能影響極大。國科學院山西煤炭化學研究所郭全貴等研究者曾作了單絲拔出實驗和集束拔出實驗，考察分散程度對復(fù)合材料性能的影響程度16,17。次界面的粘結(jié)狀況將最終影響復(fù)合物的失效形式,纖維的拔出和拉斷在斷裂時吸收的能量不同，復(fù)合物性能影響也不同。面的粘結(jié)狀況常用纖維拉拔實驗來檢驗16,。3.1.2.1.3 短切碳纖維增強混凝土的導(dǎo)電性和亞敏性碳纖維的加入，不但能夠提高混凝土的力學性能，而且提高了混凝土的導(dǎo)電性。目前普遍認為碳纖維增強混凝土導(dǎo)電機理是碳纖維構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的緣故。電子在電場作用下由于隧道效應(yīng)，穿過勢壘，從一根纖維跳躍到另一根纖維，從而形成電流18 ,19,。復(fù)合材料的電阻性受纖維摻量和纖

12、維長度的影響，纖維含量增多，電導(dǎo)性變大，當超過一定值后，逐漸趨于穩(wěn)定。纖維長度增加也同樣會使電阻降低，但纖維長度不是材料電導(dǎo)率的主要影響因素。另外，電阻隨養(yǎng)護齡期增加而增加，并趨于一穩(wěn)定值18。楊元霞等研究者曾利用CFRC 的導(dǎo)電特性來判斷碳纖維在基體中分散狀況，如果碳纖維分散不均，試塊間的電阻差異較大，而在分散均勻的情況下，試塊間電阻將趨于一致。另外研究者發(fā)現(xiàn),碳纖維增強混凝土的導(dǎo)電性會隨外加載荷的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，也就是說通過觀測電阻的變化可以反映物體受力狀況20。隨著壓力增大，電阻的變化存在可逆感應(yīng)區(qū)、平衡區(qū)和劇增區(qū)，分別對應(yīng)于試塊內(nèi)原有缺陷裂紋的閉合張開、新裂紋的產(chǎn)生和裂紋擴展破壞

13、三個階段?；谶@種特性,短切碳纖維混凝土有望被開發(fā)成一種本征型傳感器，應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的安全檢測中，為建造智能型大廈提供新的用材途徑。3.1.2.2 連續(xù)碳纖維和碳纖維棒增強混凝土短切碳纖維在基體中呈三維亂向分布,纖維有效利用系數(shù)較低21。 因此許多研究者嘗試用連續(xù)碳纖維進行研究和實驗。目前使用的增強形式有碳纖維絲、碳纖維棒和碳纖維繩等。就復(fù)合形式而言，一般常用分層鋪設(shè)或預(yù)先編織成形直接放置于水泥基體中的方法9 。 為了使連續(xù)碳纖維象鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋那樣置于混凝土中，常將纖維集束，浸于膠合材中，形成連續(xù)碳纖維筋材。實驗證明，采用連續(xù)纖維增強形式能顯著提高CFRC 的抗折強度，明顯優(yōu)于摻入同量的短纖

14、維21。用碳纖維棒增強的CFRC 力學性能相對鋼筋混凝土來說較優(yōu)。 例如最大裂縫寬度要比鋼筋混疑土高出57倍22。3.1.2 碳纖維混凝土加固技術(shù)的重點解決的關(guān)鍵問題目前，國內(nèi)在該方面的研究剛剛開展，許多問題有待解決。如由于鋼筋與混凝土的熱膨脹系數(shù)相差不多，而碳纖維則有較大差異，因此在復(fù)合后的混凝土中還需考慮溫度應(yīng)力的影響，在國外已有工程實例。 如1988 年日本在修建跨度5. 76 m ，寬度7 m的預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋中采用了碳纖維增強筋，1992年又用碳纖維建造了愛知縣飛翔橋等一系列建筑。3.2 碳纖維混凝土的特色和創(chuàng)新之處碳纖維與傳統(tǒng)的加大混凝土截面或粘鋼混凝土補強相比，具有節(jié)省空間，施

15、工簡便，不需要現(xiàn)場固定設(shè)施，施工質(zhì)量易保證，基本不增加結(jié)構(gòu)尺寸及自重，耐腐蝕、耐久性能好等特點。另外，采用該工法，可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本。因此，碳素纖維作為劃時代的補強材料，而備受青睞和關(guān)注。 (1)抗拉強度高，是同等截面鋼材的7-10倍。 (2)重量輕，密度只有普通鋼材的1/4。 (3)耐久性好，可阻抗化學腐蝕和惡劣環(huán)境、氣候變化的破壞。 (4)施工方便快捷、省力節(jié)時、施工質(zhì)量易于保證。(5)適用范圍廣，混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)均可進行加固?？纱蠓忍岣邩?gòu)件的承載能力、抗震性能和耐久性能。4碳纖維混凝土的市場概況4.1 碳纖維材料的市場需求2005年國內(nèi)消耗碳纖維量在3

16、891t左右，體育休閑約占82，軍工約占3.2。 中國碳纖維市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品是T-300(12K)、T-700(12K)及其織物(含預(yù)浸料)。此外，每年還從日本等國進口一定數(shù)量相當于T-300、T-800等1K、3K、6K小絲束碳纖維及其織物，進口少量高模量和高模高強碳纖維如M-40、M-55J、M-60J等品種。4.2 碳纖維混凝土的市場競爭(1)總體發(fā)展緩慢，無規(guī)模生產(chǎn)能力我國碳纖維發(fā)展比較緩慢，年產(chǎn)量約150 t，生產(chǎn)企業(yè)有吉林碳素廠、蘭州碳纖維廠、甘肅郝氏碳纖維有限公司、山東威海拓展纖維公司等企業(yè)。除甘肅郝氏碳纖維有限公司年產(chǎn)70 t的生產(chǎn)線外，其余幾家實際產(chǎn)量都在10t上下，遠遠達不

17、到國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的需要。國外碳纖維生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力在200ta以上，而我國至今還沒有一條百噸級碳纖維生產(chǎn)線，這也是我國工業(yè)化開發(fā)的差距之一。因此，我國碳纖維的開發(fā)雖取得階段性成果，但尚未實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。(2)原絲生產(chǎn)技術(shù)未掌握 我國碳纖維的生產(chǎn)和使用尚處于起步階段，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4左右，國內(nèi)用量的90以上靠進口。研制碳纖維，原絲是關(guān)鍵。在纖維生產(chǎn)成本中，原絲占50-60，投資成本中，原絲占80，而且原絲質(zhì)量對成品碳纖維的好壞具有舉足輕重的作用。因而原絲質(zhì)量一直是制約我國碳纖維工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的瓶頸。國產(chǎn)原絲和碳纖維所含堿、堿土金屬和鐵的含量比國外大得多，它

18、們的存在不僅影響聚合和紡絲的穩(wěn)定性，而且在高溫碳化過程中逸走而殘留下孔隙。另外，碳纖維長期以來被視為戰(zhàn)略物資，發(fā)達國家一直對外實行封鎖。40多年來，我國一直沒有掌握高品質(zhì)聚丙烯腈的合成技術(shù)，沒有生產(chǎn)出適合于制備高質(zhì)量原絲的原料聚丙烯腈。這已經(jīng)成為阻礙發(fā)展高性能碳纖維的關(guān)鍵問題之一，極大地限制了我國碳纖維的發(fā)展。(3)成套技術(shù)引進可能性小由于碳纖維是戰(zhàn)略物資，因而引進有一定難度。對適合于軍事應(yīng)用的碳纖維的引進尤為困難，特別是航天用碳纖維，如高強型的T-1000、高模高強型的M-55J、M-60J等，欲想引進碳纖維成套生產(chǎn)技術(shù)可能性很小。4.3 研究碳纖維混凝土技術(shù)的優(yōu)勢(1)市場潛力大碳纖維及其

19、原絲的巨大發(fā)展前景，高額利潤及高附加產(chǎn)值，為碳纖維的投入提供了很充分的理由。目前，我國每年使用碳纖維量約在3 kt，占世界碳纖維用量的13.6，而且以10-15的速度穩(wěn)步增長，市場潛力巨大。有資料顯示，國內(nèi)碳纖維的需求缺口較大，存在嚴重的供不應(yīng)求。如目前我國PAN基碳纖維的需求量達1.30-2.30kta，預(yù)計2010年達5.60 h。而目前國內(nèi)現(xiàn)有PAN基碳纖維的生產(chǎn)能力僅為144 ta，且由于產(chǎn)品性能低和價高等原因，大多沒有達到滿負荷生產(chǎn)?！笆濉逼陂g引進的年產(chǎn)400 t的碳纖維及原絲等項目，即使按預(yù)期順利建成并投產(chǎn)，國內(nèi)的生產(chǎn)能力仍不到需求的三分之一。因此可以說現(xiàn)在即時投入碳纖維研制，是

20、一個良好機會。(2)可以依托腈綸生產(chǎn)經(jīng)驗近十幾年，我國的腈綸行業(yè)有了較大的進步，腈綸生產(chǎn)能力大大提高。最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)已具有150kta以上的生產(chǎn)能力。并積累了幾十年的工程技術(shù)經(jīng)驗，培育了一支力量雄厚的高素質(zhì)技術(shù)隊伍，已具有研制PAN基碳纖維的基礎(chǔ)優(yōu)勢。日本碳纖維三大主要生產(chǎn)企業(yè)都具有腈綸生產(chǎn)經(jīng)驗這一得天獨厚的優(yōu)勢。這種優(yōu)勢對PAN原絲到PAN基碳纖維的開發(fā)和實質(zhì)性生產(chǎn)將起到良好的作用。(3)機會蘊育于風險中碳纖維行業(yè)投入大，不確定因素多，加上國外的技術(shù)保密，有許多方面需要靠國內(nèi)技術(shù)人員自行探索、研究，這顯然是風險。但如果不及時下決心投入研制，就可能喪失大好時機。以往國外掌握高技術(shù)的公司往往

21、采用先高價控制，一旦國內(nèi)掌握技術(shù)后，立即大幅度降價，使國產(chǎn)技術(shù)被扼殺在搖籃中。這種做法在需求量劇增的市場情況下是無效的。因此，應(yīng)趁當前世界碳纖維市場出現(xiàn)空前大好形勢之時，抓住最佳時機，才能以較低風險進入碳纖維領(lǐng)域。X總結(jié)在材料科學領(lǐng)域，傳統(tǒng)材料與新興材料的結(jié)合，既充分發(fā)揮了新興材料的優(yōu)異性能，又使傳統(tǒng)材料煥發(fā)出新的生機。碳纖維增強混凝土材料目前已成為水泥基復(fù)合材料的研究熱點，它改善了混凝土基體的韌性，也在一定程度上提高了混凝土基體的抗壓強度和耐磨性。壓敏性和電導(dǎo)性的出現(xiàn)有望用CFRC 制成一種智能型的本征傳感器,它可廣泛用于混凝土大壩等重要建筑物。碳纖維的補強加固方式延長了建筑物的使用壽命，節(jié)

22、約了大量的重建費用，而且性能優(yōu)異，能滿足抗震要求。再從碳纖維的發(fā)展狀況看，制備技術(shù)不斷成熟，性能不斷優(yōu)化，產(chǎn)量不斷提高，可以相信隨著碳纖維成本的降低，碳纖維增強混凝土的研究成果有望大范圍投入使用。但目前對碳纖維增強混凝土的復(fù)合機理尚無充分認識，還需做大量的理論和實驗研究，發(fā)掘其潛力,進一步提高CFRC 的性能。 一旦CFRC 的制備工藝完全成熟，21 世紀建筑行業(yè)中必將發(fā)生一場新興材料替代傳統(tǒng)材料的巨大革命。參考文獻：1 薛偉辰,康清梁. 纖維筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用J.工業(yè)建筑,1999,29(2):19221.2 鄧宗才,孫成棟,黃博升. 碳纖維混凝土的壓縮韌度指數(shù)J.混凝土與水泥制品,20

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