碳纤维在土木工程中的应用

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1、碳纤维在土木工程中的应用新闻来源:中国玻璃钢综合信息网日期：2005-10-11邵劲松，刘伟庆（南京工业大学土木工程学院，南京210009）1前言常用土木工程材料有水泥、砂石、钢材、木材、砖等，其中混凝土与钢筋的结合被认为是应用最广泛的结构材料。但随着结构服役时间的增长，越来越多的问题暴露出来，其中具有代表性的是20世纪80年代出现的“混凝土危机”所反映的混凝土耐久性问题。钢结构的应用也具有一定的比例，它克服了混凝土结构自身笨重的弱点，但在使用中出现了高温下易屈服和地震中脆断的问题，其中有代表性的是美国事件和日本的阪神地震。

2、20世纪材料科学得到了长足的发展，纤维复合材料被应用于土木工程，其中应用最广的是玻璃钢。这类材料的应用使得土木工程的结构形式灵活、功能多样，但玻璃钢的模量较低，限制了其作为结构材料在土木工程中的推广应用。碳纤维的比强度和比模量高，分别为钢材的10倍和5倍以上；同时它还具有优异的导电、抗磁化、耐高温和耐化学侵蚀的性能，被认为是综合性能最好的先进材料，因此它在各个领域中的应用推广非常迅速。碳纤维的应用形式灵活多样，①既可利用其长纤维作为结构材料，又可利用其短纤维作为功能材料;②基体既可是树脂又可以是水泥；③其与基体组成的复合材料

3、既可置于构件的外表又可置于构件的内部；④既可单独使用又可以与其它纤维混合使用；⑤其复合材料是各向异性材料，因而可以变化各个方向的性能，尤其是可以设计成膨胀系数为零的材料。碳纤维在土木工程中的许多方面都可以发挥其优势性能。2碳纤维在土土工程中应用现状目前碳纤维主要以结构材料和功能材料两种形式应用于土木工程，其中作为结构材料的应用最多。2.1碳纤维作为结构材料的应用（1）碳纤维筋。它是由多股连续纤维长丝，浸渍树脂基材料，经专用涂层敷设机制成线性预坯料，然后加捻合股制成坯强，经特制的模具拉挤成型的复合材料。碳纤维筋的加工属于连续加

4、工工艺，机械化程度较高，性能稳定。碳纤维的强度比低碳钢高约90%,而重量仅为后者的1/5左右；碳纤维与混凝土的附着强度高达7.3MPa,高于钢绞线与混凝土2.97MPa的附着强芳，碳纤维具有良好的拉伸疲劳性能及耐腐蚀、抗冲击、柔性高和易于操作的性能，因此在桥梁、码冰等易受腐蚀的结构中应用较多。碳纤维筋在80年代末开始应用于土木工程，目前在美国已经商品化。我国在这方面的研究较晚，但研究速度较快，已经做了大量试验，并正在制定相关的规定和标准。1988年日本率先在新宫桥采用碳纤维绞线作为预应力筋。1996年美国建成了世界上第一座复

5、合材料棒材增强混凝土桥（TheBuffaloCreekBridge）o如泰勒大桥及Dintelhaven大桥等都采用了碳纤维筋，或是用于增强混凝土，或是用作预应力筋、预应力拉索等，使用至今效果很好。（2）碳纤维增强水泥（CFRC）。在水泥及其制作中掺和一定量高性能碳纤维和高效外加剂，以有效控制水泥及其制品塑性收缩及早期裂纹，提高水泥及其制品的密实性，增加水泥及其制品后期强度。碳纤维增强砂浆和混凝土是研究的主要方向。增强水泥用碳纤维主要是短切碳纤维。按水泥制品的用途不同，同样可以将其分为结构材料和功能材料两类：①作为结构材料，

6、碳纤维提高了水泥制品的抗拉、抗弯和抗冲击强度，改善了水泥制品的韧性及抗震性能，减缓了水泥制品损伤的发展，主要用于结构中的节点部位、桩的两端及大体积混凝土；②作为功能材料，碳纤维提高了混凝土的抗裂、防渗、耐温差、耐磨等性能，可用于恶劣环境下的防水及防腐蚀层。另外，碳纤维还可以使水泥制品具有民电、防磁功能，制作成电磁屏蔽板及防静电地板等各种水泥纤维板。碳纤维增强水泥的研究始于20世纪80年代初，应用于80年代末。由于玻璃纤维和合成纤维的价格便宜，纤维增强水泥制品中碳纤维应用得还不多。1984年日本鹿岛公司在伊拉克建设的AL-sh

7、a-heed纪念牌，在所有水泥制品中全部掺入了碳纤维。日本东京摩丽艺术厅釆用了碳纤维增强水泥板后，建筑物墙体减重40%o广州新中国大厦、张家口煤气管道沟和国家黄金局地下金库工程的地下室底板大体积混凝土采用碳纤维混凝土，抗裂性取得了很好的效果。（3）碳纤维增强木材。用碳纤维包裹木材或将碳纤维片材铺设于木材的某个侧面或中间而形成的一种新型结构材料。无论是普通木材还是胶合木材都可以使用碳纤维进行增强。这种复合结构的形式灵活,并可以做成梁、板、柱等各种构件。利用速生木材（成材只需2a）和回收的木材重新加工，大幅度提高木材的结构性能，

8、从而节约森林资源。碳纤维的中入使木材的抗拉强度、附腐防火等性能大为提高，使其应用领域更为广泛。碳纤维增强木材的研究始于20世纪90年代，由于木结构的抗拉强度较低，限制了其使用跨度和应用范围。美国、日本、澳大利亚等国家在这方面进行了大量的研究和应用。瑞士Murgenthal的阿勒河桥木梁底部