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碳纤维在土木建筑中的应用


在土木建材领域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了改善这些弊端，人们利用碳纤维的力学特性，用混凝土或水泥做基体制成碳纤维增强复合材料。由于碳纤维和芳纶纤维等其有强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀，对人畜无害等特点，在土木建筑应用中日益受到人们的青睐。目前，形成五大应用热点。


　　一、碳纤维增强混凝土。碳纤维增强混凝土指的是短纤维或长纤维增强的混凝土材料。它主要用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维增强混凝土的主要特征为；具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度为3、6mm，细度或宽度范围在7～20m，抗拉强度范围在0.5～0.8GPa。


　　二、复合材料棒材。建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和中碳钢增强混凝土，钢材的腐蚀会导致建筑物的灾难性破坏。碳纤维树脂基复合材料棒材便成为人们开发出替代建材用钢材的新型高性能建材的重要品种。混凝土增强用碳纤维增强树脂基复合材料棒材最近在美国已经商品化。复合材料棒材不腐蚀、不导电，重量是钢材的1/4，热膨胀系数与钢材比较更接近混凝土，价格大约比环氧涂覆保护的钢材贵20%左右。使用复合材料棒材增强比使用中碳元钢增强，其弯曲强度增加。复合材斜棒材和水泥的粘结强度比元钢和水泥的粘结强度高约50%。因此它可以在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁等易腐蚀场合使用。


　　三、纤维增强胶接层板。纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板，以承受拉伸或压缩载荷。纤维增强胶接层板制造技术的关键是纤维增强层板和木板之问的应变匹配。纤维增强胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能，一般采用拉挤工艺制备。所使用的增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维（玻璃纤维），基体为环氧树脂体系。由于使用纤维增强胶接层板比使用钢桁架的天花板系统价格低8%，比使用传统木桁架价格低25%，以及可明显减少重量和减少木材的需求，纤维增强胶接层板目前发展很快，应用日趋广泛。


　　四、碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。


　　五、其它应用。短碳纤维还可以以下几种形式应用于土木建筑领域：①制作帘墙板（非承重墙），是一种具有优良耐老化性和突出机械特性的轻量板，可应用于高层建筑和海边耐腐蚀建筑。②防水房顶涂层，将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶，作为耐风化和不透水的表面，且此涂层表面外观优美。③电磁屏蔽板和导电板，由于碳纤维的高导电性，可消除来自大气的放电和雷击的静电。④墙和防腐蚀涂层、耐磨铺地材料、耐化学腐蚀性地板。


　　碳纤维在土木建筑领域的应用还是一个新的技术。过去因碳纤维的价格高、产量少，在航空航天领域以外的应用有一定难度，但近年来碳纤维的应用越来越多，并随产量的增加而使成本下降。与传统方式相比，在土木建筑领域中应用碳纤维，虽然纤维强化材料的价格较高，但综合材料成本、施工成本、使用成本，就比较相近了；在施工结果的防腐性、轻量化方面，纤维增强材料更好，这样就拓展了高性能纤维的应用领域。