碳纤维增强复合材料在土木建筑中的应用.docVIP

碳纤维增强复合材料在土木建筑中的应用 使用碳纤维材料加固结构的主要目的，是提高建筑工程承载能力或改善其功能。目前，建筑工程中广泛使用的碳纤维及其复合材料产品具有多种形式，常用的碳纤维及其复合材料产 品主要有碳纤维布、碳纤维板、碳纤维条带、碳纤维网格等，如图１所示。在使用碳纤维材料加固结构的过程中，可以根据加固部位不同、加固方式不同或需要的能力不同分别选用， 例如当需要提高承载力或加固结构构件形状复杂时，可以选择高强度的碳纤维布；当需要提高刚度时则尽量选择碳纤维板，采用嵌入式加固方法时，可以选用碳纤维板或碳纤维条带；而对于平板或柱加固时，则最好选择柔 性格栅材。 新建工程中则主要使用碳纤维筋、碳纤维索、碳纤维型材以及衍生出的碳纤维复合材料构件和结构等，如图2所示。其中，碳纤维筋主要用于混凝土结构中替代钢筋，在腐蚀环境下 可以减少因钢筋锈蚀所产生的结构损伤或破坏，提高结构寿命。而在混凝土结构中的钢筋密集部位使用碳纤维筋，可以减少筋的数量，方便施工，提高施工质量，这也是碳纤维筋目前 主要的应用途径。碳纤维索主要用于桥梁等大跨度结构建设中的拉索或吊索，也可以用于锚索，用以减轻结构自重、提高抗拉能力、改善耐久性等。碳纤维型材以及衍生出的碳纤维复合材 料构件和结构主要用于制造结构受力构件或局部结构单体，以改善构件和结构的性能，适应不同环境或工况要求，还可以利用碳纤维材料的优良性能形成多样化的新型、智能结构。 二、建筑工程结构对碳纤维及其复合材料制品的要求 根据建筑工程应用碳纤维及其复合材料的技术特点，建筑工程结构对碳纤维及其复合材料制品的要求主要 包括力学性能、耐久性能、施工性能3个方面：①要求碳纤维及其复合材料制品在外界作用下具有足够的强度，由于碳纤维材料的高强性能，这一点一般情况下都能够满足要求；②要求碳纤维及其复合材料制品在使用过程中抵抗各种自然环境的作用，保持相应的设计能力；③对于在生产过程中使用的界面材料或粘结材料，也应具备与结构材料的适用性（适配性、耦合效应），以保证施工工艺的合理实现。基于我国建筑工程应用碳纤维材料的经验和研究成果，目前基本形成的建筑工程应用碳纤维材料的相关标准体系，已有近10部相关标准，涉及材料标准、设计标准及工程应用标准等，如表1所示。这些标准对相关指标的规定主要包括基本力学性能指标、耐久性指标、工艺性能指标、特殊要求 2.重要的碳纤维建筑材料 2.1 碳纤维增强混凝土 由于水泥砂浆与混凝土中存在抗拉强度低, ，干缩率大，, 变形能力低, ，脆性大和抗冲击性能差等缺点, 而且在某些特种条件下(酸、碱、潮湿环境中)，由于钢筋的抗腐蚀性差而面临着严峻的挑战。然而碳纤维以其高强、质轻、优良的抗疲劳性、抗冲击性、抗震性和耐腐蚀性完全弥补了钢筋混凝土的不足。碳纤维增强水泥的研究和应用在国外发达国家尤其是日本已经达到广泛的研究和应用, 而我国尚处在研发阶段。2 0 02 年n 月在郑州召开的全国第九届纤维水泥和纤维混凝土学术会议上, 关于碳纤维增强混凝土的论文已经很多短切碳纤维加人混凝土中, 目前主要应用于需要减重、防震、耐腐蚀的环境中或喷射混凝土和道路工程中; 将碳纤维长丝支撑预应力筋, 代替钢筋埋植于混凝土中, 主要用于海洋工程、大跨度桥梁及需要电磁透过的工程结构或结构加固的场合; 将碳纤维长丝支撑预应力绞绳, 用于大跨度桥梁的拉索或大跨度空间结构的悬索拉索等; 将短切碳纤维或连续碳纤维应用于各种公路路面及桥梁路面工程和高速公路的防护栏, 以提高工程的质量及耐久性; 将碳纤维棒材与混凝土制成预制件, 包括梁、板、屋架或网架, 充分利用碳纤维的质轻、高强、耐腐蚀等优点。短切碳纤维填充到混凝土中, 不仅约束微裂缝扩展, 提高混凝土的抗裂性、抗渗性和抗冻性, 减少干缩变形, 而且可以明显地改善混凝土结构的物理力学特性。提高结构的抗震性和抗疲劳特性, 这是由于碳纤维具有高强度和高弹模的优势。另外, 碳纤维增强混凝土具有良好的压敏性, 而且具有一定导电性, 如果在混凝土中埋藏电极, 可有效实现对混凝土结构件的在线检测(应变) 和安全监控(损伤程度)。在实际应用中, 可实现对桥梁幕墙建筑的智能化管理。因此, 短切碳纤维增强混凝土不仅具有减重增强的优点, 而且还是一种智能材料, 将来必然具有良好的发展前景。 2.2 碳纤维加固材料 碳纤维加固是美日等国家所研发的, 应用在土木工程中的新型加固增强技术。该方法采用同一方向排列的碳纤维织物, 在常温下用环氧树脂粘贴于混凝土结构表面, 利用其紧密粘着于混凝土结构表面, 使二者作为一个新的整体, 共同受力, 是一种非常简单且优良的加固增强方法, 与传统的粘钢加固不同, 碳纤维加固在不增加结构物的荷重的前题下达到高效加固的目的。 采用碳纤维材料( CFRP)加固混凝土结构技术是一种新型