碳纖維在土木工程中的應用

1、碳纖維在土木工程中的應用新聞來源:中國玻璃鋼綜合信息網(wǎng)日期：2005-10-11邵勁松，劉偉慶（南京工業(yè)大學土木工程學院，南京210009）1前言常用土木工程材料有水泥、砂石、鋼材、木材、磚等，其中混凝土與鋼筋的結(jié)合被認為是應用最廣 泛的結(jié)構(gòu)材料。但隨著結(jié)構(gòu)服役時間的增長，越來越多的問題暴露出來，其中具有代表性的是20世紀80 年代出現(xiàn)的“混凝土危機”所反映的混凝土耐久性問題。鋼結(jié)構(gòu)的應用也具有一定的比例，它克服了混凝 土結(jié)構(gòu)自身笨重的弱點，但在使用中出現(xiàn)了高溫下易屈服和地震中脆斷的問題，其中有代表性的是美國 事件和日本的阪神地震。20世紀材料科學得到了長足的發(fā)展，纖維復合材料被應用于土木工程

2、， 其中應用最廣的是玻璃鋼。這類材料的應用使得土木工程的結(jié)構(gòu)形式靈活、功能多樣，但玻璃鋼的模量 較低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料在土木工程中的推廣應用。碳纖維的比強度和比模量高，分別為鋼材的10倍和5倍以上；同時它還具有優(yōu)異的導電、抗磁化、耐 高溫和耐化學侵蝕的性能，被認為是綜合性能最好的先進材料，因此它在各個領(lǐng)域中的應用推廣非常迅 速。碳纖維的應用形式靈活多樣，既可利用其長纖維作為結(jié)構(gòu)材料，又可利用其短纖維作為功能材料; 基體既可是樹脂又可以是水泥；其與基體組成的復合材料既可置于構(gòu)件的外表又可置于構(gòu)件的內(nèi) 部；既可單獨使用又可以與其它纖維混合使用；其復合材料是各向異性材料，因而可以變化各個方 向的

3、性能，尤其是可以設計成膨脹系數(shù)為零的材料。碳纖維在土木工程中的許多方面都可以發(fā)揮其優(yōu)勢 性能。2碳纖維在土土工程中應用現(xiàn)狀目前碳纖維主要以結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩種形式應用于土木工程，其中作為結(jié)構(gòu)材料的應用最多。 2. 1碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料的應用（1）碳纖維筋。它是由多股連續(xù)纖維長絲，浸漬樹脂基材料，經(jīng)專用涂層敷設機制成線性預坯料， 然后加捻合股制成坯強，經(jīng)特制的模具拉擠成型的復合材料。碳纖維筋的加工屬于連續(xù)加工工藝，機械 化程度較高，性能穩(wěn)定。碳纖維的強度比低碳鋼高約90%,而重量僅為后者的1/5左右；碳纖維與混凝 土的附著強度高達7.3mpa,高于鋼絞線與混凝土2.97mpa的附著強芳，碳纖維

4、具有良好的拉伸疲勞性 能及耐腐蝕、抗沖擊、柔性高和易于操作的性能，因此在橋梁、碼冰等易受腐蝕的結(jié)構(gòu)中應用較多。碳 纖維筋在80年代末開始應用于土木工程，目前在美國已經(jīng)商品化。我國在這方面的研究較晚，但研究速 度較快，已經(jīng)做了大量試驗，并正在制定相關(guān)的規(guī)定和標準。1988年日本率先在新宮橋采用碳纖維絞線 作為預應力筋。1996年美國建成了世界上第一座復合材料棒材增強混凝土橋（the buffalo creek bridge）o如泰勒大橋及dintelhaven大橋等都采用了碳纖維筋，或是用于增強混凝土，或是用作預應力 筋、預應力拉索等，使用至今效果很好。（2）碳纖維增強水泥（cfrc）。在水泥及

5、其制作中摻和一定量高性能碳纖維和高效外加劑，以有效 控制水泥及其制品塑性收縮及早期裂紋，提高水泥及其制品的密實性，增加水泥及其制品后期強度。碳 纖維增強砂漿和混凝土是研究的主要方向。增強水泥用碳纖維主要是短切碳纖維。按水泥制品的用途不 同，同樣可以將其分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類：作為結(jié)構(gòu)材料，碳纖維提高了水泥制品的抗拉、抗 彎和抗沖擊強度，改善了水泥制品的韌性及抗震性能，減緩了水泥制品損傷的發(fā)展，主要用于結(jié)構(gòu)中的 節(jié)點部位、樁的兩端及大體積混凝土；作為功能材料，碳纖維提高了混凝土的抗裂、防滲、耐溫差、 耐磨等性能，可用于惡劣環(huán)境下的防水及防腐蝕層。另外，碳纖維還可以使水泥制品具有民電、防磁功

6、能，制作成電磁屏蔽板及防靜電地板等各種水泥纖維板。碳纖維增強水泥的研究始于20世紀80年代初， 應用于80年代末。由于玻璃纖維和合成纖維的價格便宜，纖維增強水泥制品中碳纖維應用得還不多。1984 年日本鹿島公司在伊拉克建設的al-sha-heed紀念牌，在所有水泥制品中全部摻入了碳纖維。日本東京 摩麗藝術(shù)廳釆用了碳纖維增強水泥板后，建筑物墻體減重40%o廣州新中國大廈、張家口煤氣管道溝和 國家黃金局地下金庫工程的地下室底板大體積混凝土采用碳纖維混凝土，抗裂性取得了很好的效果。（3）碳纖維增強木材。用碳纖維包裹木材或?qū)⑻祭w維片材鋪設于木材的某個側(cè)面或中間而形成的一 種新型結(jié)構(gòu)材料。無論是普通木材

7、還是膠合木材都可以使用碳纖維進行增強。這種復合結(jié)構(gòu)的形式靈活, 并可以做成梁、板、柱等各種構(gòu)件。利用速生木材（成材只需2a）和回收的木材重新加工，大幅度提高 木材的結(jié)構(gòu)性能，從而節(jié)約森林資源。碳纖維的中入使木材的抗拉強度、附腐防火等性能大為提高，使 其應用領(lǐng)域更為廣泛。碳纖維增強木材的研究始于20世紀90年代，由于木結(jié)構(gòu)的抗拉強度較低，限制了 其使用跨度和應用范圍。美國、日本、澳大利亞等國家在這方面進行了大量的研究和應用。瑞士 murgenthal的阿勒河橋木梁底部采用了 cfrp增強，整修結(jié)構(gòu)減重20%。日本hokkaido的35m跨橋采用碳纖維增強膠層板梁建成。英國皇家研究中心（rae）用

8、cfrp增強木林 使極限負荷增加 267%o這種增強木材重理輕、能承受較大的負荷，可用于高級禮堂和體育館的屋頂，增強木材所制成 的框架比一般木材輕20%左右。（4）碳纖維型材。連續(xù)碳纖維浸漬樹脂經(jīng)拉擠機制成各種截面形狀的長條形構(gòu)件。碳纖維復合材料 可拉擠加工成h型、箱型、圓型等截面形狀，在箱型和圓型截面構(gòu)件中還可以填充輕質(zhì)芯材或混凝土 等材料，具有較高的抗拉強度和抗變剛度，用作土木工程的結(jié)構(gòu)部分。它們多為工廠預制，安裝方便快 捷，且具有較好的結(jié)構(gòu)耐久性，是未來結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。20世紀80年代后期，美國開始利用玻璃纖維 增強復合材料代替型鋼材使用。90年代初，日本開始研究碳纖維型材，并在199

9、7年達到實用化。（5）碳纖維永久模板。碳纖維和樹脂材料按照所需的強度和剛度要求加工成各種形狀的模板，在澆 筑混凝土后不予拆除，而直接充當結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，這種結(jié)構(gòu)也稱為混凝土纖維殼體系。這種永久性 模板具有較高的強度，對混凝土有很大的約束作用，既提高了混凝土的強度又提高了混凝土的延性。永 久性模板可防止混凝土受外界的侵蝕，大幅提高了混凝土的耐久性。模板的外側(cè)可以做成各種紋面，起 到了很好的裝飾作用，也可以減少再裝飾產(chǎn)生的弊端。其施工簡易方便，降低了工程造價，加快了工程 進度，因而它具有廣闊的應用前景。20世紀90年代日本研制成功復合材料模板并實用化。因碳纖維價格 較昂貴，玻璃纖維價格相對低廉，

10、現(xiàn)在這種模板還是以玻璃纖維應用為主。同濟大學的永久性模板混凝 土柱的試驗也證實了復合材料模板對混凝土的多重功效。（6）碳纖維夾層結(jié)構(gòu)件。它是由分布于構(gòu)件外側(cè)的碳纖維復合材料和內(nèi)部的芯材形成的構(gòu)件，涉及 梁、板（殼）、柱等多種類型。碳纖維夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件是高強度的碳纖維復合材料分布于構(gòu)件的外側(cè)，內(nèi) 部采用芯材來提高截面的慣性距，使構(gòu)件同時獲得了較高的強度和剛度。未來的結(jié)構(gòu)朝著輕而剛、強的 方向發(fā)展，夾芯桿件中的芯材多為蜂窩、泡沫塑料、軟木等輕質(zhì)材料，不會因此而增加較大的重量，所 以這種結(jié)構(gòu)形式在工程中有很大的應用價值。美國專利scrimp i藝滿足了土木工程中的構(gòu)件大尺寸 的要求，可以進行工廠化生產(chǎn)

11、，推進了夾層結(jié)構(gòu)件的發(fā)展。夾層結(jié)構(gòu)較多應用于高級禮堂和體育館的屋 頂、橋梁的承重部分。對于所受荷載特別大的構(gòu)件也可以做成組合的箱型構(gòu)件。（7）碳纖維大跨度管線。采用cfrp制成六邊形殼體，在其上部和下部沿管線采用碳纖維片材進行 增強。這種管線克服了金屬材料自重大、易腐蝕和單獨使用cfrp剛性不足的弱點。（8）碳纖維加固結(jié)構(gòu)。在使用過程中建筑物性能不能滿足新的要求，將碳纖維材料粘貼于結(jié)構(gòu)構(gòu)件 的表面進行補強加固。粘結(jié)碳纖維復合材料補強加固的方法主要有兩種：一種是將片材貼于構(gòu)件縱向一 側(cè)，這主要是用業(yè)進行抗拉和抗彎能力的補強，另一種是將片材沿著梁橫向粘貼于構(gòu)件兩側(cè)或進行u 型、方框型纏繞，主要用業(yè)

12、進行抗剪、抗壓或抗震能力的補強。碳纖維復合材料加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)的突 出優(yōu)勢在于輕質(zhì)高強，不影響外觀；防水耐腐，綜合效益高；柔軟性好、施工便捷，質(zhì)量易保證, 不會減少使用空間，對周圍環(huán)境影響小，進行橋梁加固時橋面通行不受影響；適用面廣，不受結(jié)構(gòu)類 型和形式的影響。國外從20世紀80年代開始研究碳纖維加固法并廣泛應用。在美國舊金山、洛杉機及日 本阪神地震后，大批的建筑物和橋梁都采用碳纖維復合材料進行外包防護，以提高其抗震能力。目前各 個國家都制定了碳纖維加固的技術(shù)規(guī)程，碳纖維加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應用范圍也逐步擴大，從開始發(fā)明的 genpllymer基體與水泥制品有較強的親密性，同時還具有防火的功能，必將

13、進一步推動這領(lǐng)域的發(fā)展。 最典型的的是瑞士伊巴赫橋采用62kg重的cfrp完成了 175kg重鋼板才能完成的228m連續(xù)箱梁的腹 板加固，另外還有加拿大的country hills boulevard橋、德國的卡特布西橋、日本的東名高速公路、 東京高架橋、東京富士貝大橋等，其中有因預應力筋被不慎割斷而需加固；有因混凝土的嚴重開裂而需 加固；也有因使用要求的提高而需加固。加固對象包括橋面、橋墩、承重梁等各個部位。2. 2碳纖維作為功能材料的應用（1）碳纖維多功能板。碳纖維增強樹脂復合材料或碳纖維增強水泥基復合材料用作墻或地的表層， 內(nèi)部采用特殊功能的夾芯。碳纖維功能板具有耐蝕、輕質(zhì)高強、保溫隔熱

14、、抗靜電的特點，還具有電磁 屏蔽、防火功能，其外觀好不不需要重新裝飾，特別是墻面污漬清除容易，因而在自動化辦公室、通訊 和高層、高檔建筑中被廣泛采用。美國許多證券公司、醫(yī)院和軍事設施都采用碳纖維多功能板，以起到 磁屏蔽的作用。（2）建筑物的智能檢測。在建筑物正常使用階段，對建筑物所做的非破壞性性能檢測，以較早地掌 握建筑物實際狀態(tài)從而做出各種應對策略。該項技術(shù)充分利用了碳纖維的導電性能，通過碳纖維電阻的 變化來預測碳纖維絲的變形和開裂情況，以得知整個結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。為了增加檢測的靈敏度，在碳纖維的 周圍，可加入導電性板狀炭質(zhì)粉體和其它的導電陶瓷粉體。這種智能檢測還可用于銀行的防盜保安墻體 和監(jiān)測管

15、道的滲漏情況。1995年日本阪神地震后，日本、美國、加拿大等國家開始研究這種智能檢測技 術(shù)，并開發(fā)出一系列的智能結(jié)構(gòu)體系。日本清水建設公司建造的66層的“公共廣”綜合寫字樓釆用碳纖維 敏感監(jiān)測棒材埋入高層混凝土墻體中，以隨時掌握高層大樓各部位的受力和變形情況。st.fancois河上 的joffre橋的橋面板使用了 cfrp格柵進行加固。一些cfrp格柵中放置了結(jié)構(gòu)一體化的纖維光學感 應器，振動式電阻絲應變傳感器和電阻應變計。所有的傳感器與電話線相連，以便對該橋進行連續(xù)地遙 測。joffre橋是世界上第一座在碳纖維格柵加固中引入嵌入式傳感器的橋梁。3展望碳纖維在土木工程應用的最大障礙是它的價格，因此如何降低碳纖維的成本，增大碳纖維的使用數(shù) 量是急需解決的關(guān)鍵課題，這主要涉及到原材料和生產(chǎn)技術(shù)兩個方面。既要不斷改善碳纖維及其基體、 粘結(jié)材料的性能，使其滿足如高溫、腐蝕等特殊環(huán)境的要求，又要開發(fā)出符合土木工程中大結(jié)構(gòu)尺寸需 求的生產(chǎn)技術(shù)。別外，碳纖維本身的研究理論還不充分，在土木工程中的設計理論也不成熟，還只能依 靠使用較大的安全系數(shù)來保證結(jié)構(gòu)的可靠性。國內(nèi)外對使用碳纖維所制定的標準也存在很大的差異，統(tǒng)一加強規(guī)范和標準的制定