碳纖維在土木工程中的應(yīng)用

1、碳纖維在土木工程中的應(yīng)用新聞來(lái)源:中國(guó)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(xué)土木工程學(xué)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(rèn)為是應(yīng)用最廣 泛的結(jié)構(gòu)材料。但隨著結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增長(zhǎng)，越來(lái)越多的問(wèn)題暴露出來(lái)，其中具有代表性的是20世紀(jì)80 年代出現(xiàn)的“混凝土危機(jī)”所反映的混凝土耐久性問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(diǎn)，但在使用中出現(xiàn)了高溫下易屈服和地震中脆斷的問(wèn)題，其中有代表性的是美國(guó) 事件和日本的阪神地震。20世紀(jì)材料科學(xué)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，纖維復(fù)合材料被應(yīng)用于土木工程

2、， 其中應(yīng)用最廣的是玻璃鋼。這類(lèi)材料的應(yīng)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(yīng)用。碳纖維的比強(qiáng)度和比模量高，分別為鋼材的10倍和5倍以上；同時(shí)它還具有優(yōu)異的導(dǎo)電、抗磁化、耐 高溫和耐化學(xué)侵蝕的性能，被認(rèn)為是綜合性能最好的先進(jìn)材料，因此它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣非常迅 速。碳纖維的應(yīng)用形式靈活多樣，既可利用其長(zhǎng)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(shù)脂又可以是水泥；其與基體組成的復(fù)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(dú)使用又可以與其它纖維混合使用；其復(fù)合材料是各向異性材料，因而可以變化各個(gè)方 向的

3、性能，尤其是可以設(shè)計(jì)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(shì) 性能。2碳纖維在土土工程中應(yīng)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(yīng)用于土木工程，其中作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用最多。 2. 1碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用（1）碳纖維筋。它是由多股連續(xù)纖維長(zhǎng)絲，浸漬樹(shù)脂基材料，經(jīng)專(zhuān)用涂層敷設(shè)機(jī)制成線性預(yù)坯料， 然后加捻合股制成坯強(qiáng)，經(jīng)特制的模具拉擠成型的復(fù)合材料。碳纖維筋的加工屬于連續(xù)加工工藝，機(jī)械 化程度較高，性能穩(wěn)定。碳纖維的強(qiáng)度比低碳鋼高約90%,而重量?jī)H為后者的1/5左右；碳纖維與混凝 土的附著強(qiáng)度高達(dá)7.3mpa,高于鋼絞線與混凝土2.97mpa的附著強(qiáng)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(yīng)用較多。碳 纖維筋在80年代末開(kāi)始應(yīng)用于土木工程，目前在美國(guó)已經(jīng)商品化。我國(guó)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(yàn)，并正在制定相關(guān)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。1988年日本率先在新宮橋采用碳纖維絞線 作為預(yù)應(yīng)力筋。1996年美國(guó)建成了世界上第一座復(fù)合材料棒材增強(qiáng)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(qiáng)混凝土，或是用作預(yù)應(yīng)力 筋、預(yù)應(yīng)力拉索等，使用至今效果很好。（2）碳纖維增強(qiáng)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(shí)性，增加水泥及其制品后期強(qiáng)度。碳 纖維增強(qiáng)砂漿和混凝土是研究的主要方向。增強(qiáng)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(lèi)：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(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)水泥的研究始于20世紀(jì)80年代初， 應(yīng)用于80年代末。由于玻璃纖維和合成纖維的價(jià)格便宜，纖維增強(qiáng)水泥制品中碳纖維應(yīng)用得還不多。1984 年日本鹿島公司在伊拉克建設(shè)的al-sha-heed紀(jì)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(qiáng)水泥板后，建筑物墻體減重40%o廣州新中國(guó)大廈、張家口煤氣管道溝和 國(guó)家黃金局地下金庫(kù)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(qiáng)木材。用碳纖維包裹木材或?qū)⑻祭w維片材鋪設(shè)于木材的某個(gè)側(cè)面或中間而形成的一 種新型結(jié)構(gòu)材料。無(wú)論是普通木材

7、還是膠合木材都可以使用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)。這種復(fù)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(qiáng)度、附腐防火等性能大為提高，使 其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。碳纖維增強(qiáng)木材的研究始于20世紀(jì)90年代，由于木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度較低，限制了 其使用跨度和應(yīng)用范圍。美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家在這方面進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用。瑞士 murgenthal的阿勒河橋木梁底部采用了 cfrp增強(qiáng)，整修結(jié)構(gòu)減重20%。日本hokkaido的35m跨橋采用碳纖維增強(qiáng)膠層板梁建成。英國(guó)皇家研究中心（rae）用

8、cfrp增強(qiáng)木林 使極限負(fù)荷增加 267%o這種增強(qiáng)木材重理輕、能承受較大的負(fù)荷，可用于高級(jí)禮堂和體育館的屋頂，增強(qiáng)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(shù)脂經(jīng)拉擠機(jī)制成各種截面形狀的長(zhǎng)條形構(gòu)件。碳纖維復(fù)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(qiáng)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(yù)制，安裝方便快 捷，且具有較好的結(jié)構(gòu)耐久性，是未來(lái)結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)開(kāi)始利用玻璃纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料代替型鋼材使用。90年代初，日本開(kāi)始研究碳纖維型材，并在199

9、7年達(dá)到實(shí)用化。（5）碳纖維永久模板。碳纖維和樹(shù)脂材料按照所需的強(qiáng)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(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，這種結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為混凝土纖維殼體系。這種永久性 模板具有較高的強(qiáng)度，對(duì)混凝土有很大的約束作用，既提高了混凝土的強(qiáng)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(jiǎn)易方便，降低了工程造價(jià)，加快了工程 進(jìn)度，因而它具有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代日本研制成功復(fù)合材料模板并實(shí)用化。因碳纖維價(jià)格 較昂貴，玻璃纖維價(jià)格相對(duì)低廉，

10、現(xiàn)在這種模板還是以玻璃纖維應(yīng)用為主。同濟(jì)大學(xué)的永久性模板混凝 土柱的試驗(yàn)也證實(shí)了復(fù)合材料模板對(duì)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(fù)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(lèi)型。碳纖維夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件是高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料分布于構(gòu)件的外側(cè)，內(nèi) 部采用芯材來(lái)提高截面的慣性距，使構(gòu)件同時(shí)獲得了較高的強(qiáng)度和剛度。未來(lái)的結(jié)構(gòu)朝著輕而剛、強(qiáng)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(huì)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(yīng)用價(jià)值。美國(guó)專(zhuān)利scrimp i藝滿(mǎn)足了土木工程中的構(gòu)件大尺寸 的要求，可以進(jìn)行工廠化生產(chǎn)

11、，推進(jìn)了夾層結(jié)構(gòu)件的發(fā)展。夾層結(jié)構(gòu)較多應(yīng)用于高級(jí)禮堂和體育館的屋 頂、橋梁的承重部分。對(duì)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(jìn)行 增強(qiáng)。這種管線克服了金屬材料自重大、易腐蝕和單獨(dú)使用cfrp剛性不足的弱點(diǎn)。（8）碳纖維加固結(jié)構(gòu)。在使用過(guò)程中建筑物性能不能滿(mǎn)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(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。粘結(jié)碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)行抗拉和抗彎能力的補(bǔ)強(qiáng)，另一種是將片材沿著梁橫向粘貼于構(gòu)件兩側(cè)或進(jìn)行u 型、方框型纏繞，主要用業(yè)

12、進(jìn)行抗剪、抗壓或抗震能力的補(bǔ)強(qiáng)。碳纖維復(fù)合材料加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)的突 出優(yōu)勢(shì)在于輕質(zhì)高強(qiáng)，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(huì)減少使用空間，對(duì)周?chē)h(huán)境影響小，進(jìn)行橋梁加固時(shí)橋面通行不受影響；適用面廣，不受結(jié)構(gòu)類(lèi) 型和形式的影響。國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究碳纖維加固法并廣泛應(yīng)用。在美國(guó)舊金山、洛杉機(jī)及日 本阪神地震后，大批的建筑物和橋梁都采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行外包防護(hù)，以提高其抗震能力。目前各 個(gè)國(guó)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(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大，從開(kāi)始發(fā)明的 genpllymer基體與水泥制品有較強(qiáng)的親密性，同時(shí)還具有防火的功能，必將

13、進(jìn)一步推動(dòng)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(guó)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(yù)應(yīng)力筋被不慎割斷而需加固；有因混凝土的嚴(yán)重開(kāi)裂而需 加固；也有因使用要求的提高而需加固。加固對(duì)象包括橋面、橋墩、承重梁等各個(gè)部位。2. 2碳纖維作為功能材料的應(yīng)用（1）碳纖維多功能板。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料或碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)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(qiáng)、保溫隔熱

14、、抗靜電的特點(diǎn)，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(dòng)化辦公室、通訊 和高層、高檔建筑中被廣泛采用。美國(guó)許多證券公司、醫(yī)院和軍事設(shè)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(cè)。在建筑物正常使用階段，對(duì)建筑物所做的非破壞性性能檢測(cè)，以較早地掌 握建筑物實(shí)際狀態(tài)從而做出各種應(yīng)對(duì)策略。該項(xiàng)技術(shù)充分利用了碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)碳纖維電阻的 變化來(lái)預(yù)測(cè)碳纖維絲的變形和開(kāi)裂情況，以得知整個(gè)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。為了增加檢測(cè)的靈敏度，在碳纖維的 周?chē)?，可加入?dǎo)電性板狀炭質(zhì)粉體和其它的導(dǎo)電陶瓷粉體。這種智能檢測(cè)還可用于銀行的防盜保安墻體 和監(jiān)測(cè)管

15、道的滲漏情況。1995年日本阪神地震后，日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)家開(kāi)始研究這種智能檢測(cè)技 術(shù)，并開(kāi)發(fā)出一系列的智能結(jié)構(gòu)體系。日本清水建設(shè)公司建造的66層的“公共廣”綜合寫(xiě)字樓釆用碳纖維 敏感監(jiān)測(cè)棒材埋入高層混凝土墻體中，以隨時(shí)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(jìn)行加固。一些cfrp格柵中放置了結(jié)構(gòu)一體化的纖維光學(xué)感 應(yīng)器，振動(dòng)式電阻絲應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變計(jì)。所有的傳感器與電話線相連，以便對(duì)該橋進(jìn)行連續(xù)地遙 測(cè)。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(yīng)用的最大障礙是它的價(jià)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(gè)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(mǎn)足如高溫、腐蝕等特殊環(huán)境的要求，又要開(kāi)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(shè)計(jì)理論也不成熟，還只能依 靠使用較大的安全系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)的可靠性。國(guó)內(nèi)外對(duì)使用碳纖維所制定的標(biāo)準(zhǔn)也存在很大的差異，統(tǒng)一加強(qiáng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定