碳纖維混凝土

碳纖維混凝土(carbon fiber reinforced concrete),是一種集多種功能與結構性能為一體的複合材料,簡稱CFRC。主要由普通混凝土添加少量一定形狀碳纖維和超細添加劑(分散劑、消泡劑、早強劑等)組成。和普通混凝土相比,它不僅具有較好的力學性能,而且還具備很多優良特性。

基本介紹

  • 中文名:碳纖維混凝土
  • 外文名CFRC; carbon fiber reinforced concrete;
  • 適用範圍:建築材料等
  • 材料特性:極高的強度,高阻燃,耐高溫,具有非常高的拉伸模量
概述,CFRC結構性能,結構性能的利用,碳纖維混凝土人工岩,碳纖維混凝土運用領域,

概述

20世紀70年代,英國首先製作了聚丙烯腈基(PAN)碳素纖維增強水泥基材料的板材,並套用於建築,開創了CFRC研究和套用的先例。
在所有元素中,碳元素在構成不同結構的能力方面似乎是獨一無二的。這使碳纖維具有極高的強度,高阻燃,耐高溫,具有非常高的拉伸模量,與金屬接觸電阻低和良好的電磁禁止效應,故能製成智慧型材料,在航空、航天、電子、機械、化工、醫學材料、體育娛樂用品等工業領域中廣泛運用。

CFRC結構性能

單向增強混凝土和普通混凝土受彎時應力應變曲線如圖1所示。可以看出,相比普通混凝土,碳纖維增強混凝土不僅抗拉強度增加,而且表現出良好的韌性。這是因為纖維的拉出,需要吸收很多的能量。
美國紐約大學的DDL.Chung等人通過大量的對比實驗發現混凝土中摻加少量的碳纖維(質量百分含量為0.6%左右),材料的抗拉強度和抗拉延性分別提高30% 和25% .當對摻人其中的矽粉和碳纖維進行表面處理(如臭氧處理,矽烷處理等)後,其強度可進一步增加。此外,摻人碳纖維後相同齡期的乾縮值較普通混凝土明顯降低,實驗數據顯示其28d的乾縮值降低32%。
圖1 混凝土受彎時應力和應變曲線圖圖1 混凝土受彎時應力和應變曲線圖

結構性能的利用

CFRC具有耐磨性、耐乾縮性、抗滲性和抗化學腐蝕性能好等優點,用作建築材料的塗層和路面材料是很理想的,在實際建築中使用有相當潛力。在建築工程領域內,目前廣泛套用的是短切瀝青基碳纖維混凝土,主要製成各種屋面、內外牆、地面及天花板的板材,也可用於承載構件。1982年,日本鹿島建設公司率先開發輕質CFRC複合板,建成了巴格達AI—Shaheed紀念館,開始了工程上的首次套用,此後又有40多個大型建築中使用CFRC用作外牆牆板和幕牆材料。他們表現出耐高溫、輕質高強、面積大、接縫少、柔韌性好、抗震抗風能力強、工期短等優點。
當前,另外一種發展趨勢就是PAN基碳纖維來增強水泥,性能上優於通用瀝青基碳纖維。如加拿大1993年在Calgary建造了一座新的兩跨度的公路橋乜),在這座橋的橋墩部分首次採用了碳纖維複合材料代替混凝土中的鋼筋。日本鹿島和住友化工公司利用PAN基碳纖維長絲浸漬環氧樹脂固化後的補強筋代替鋼筋已有產品上市。

碳纖維混凝土人工岩

CFRC人工岩是把碳纖維攪拌在水泥中,製成的碳纖維增強混凝土,並用於造景工程。CFRC人工岩與GRC人工岩相比較,其抗鹽侵蝕、抗紫外線照射能力等方面均明顯優於GRC,並具耐高溫、抗凍融合抗乾濕變化等優點,是耐久性優異的水泥基材料,適合於沿海地域等各種自然環境的護岸、護坡。由於其可塑性強,更適用於園林假山造景、浮雕、廣告牌等各種景觀的再創造。

碳纖維混凝土運用領域

碳纖維混凝土已在以下方面得到了廣泛套用 :
(1)在混凝土中加入適量的短切碳纖維,可以提高混凝土的抗拉強度、彎曲強度和抗衝擊性能,降低乾縮,改善耐磨性能,提高混凝土的減震能力,改善新舊混凝土之間的粘結強度和提高磚與砂漿的粘結強度,因而在實際建築中使用有相當潛力。目前,利用短切碳纖維增強混凝土,可以製成各種屋面、內外牆、地面及天花板的板材等,未來的一種發展趨勢是利用通長碳纖維增強混凝土作為承重構件。
(2)碳纖維能阻止混凝土構件裂縫的擴散展開,而目前我國高強度混凝土裂縫問題較突出,因而可研究嘗試採用碳纖維來改善高強度混凝土的性能。
(3)在混凝土中摻人碳纖維可顯著改善其導電性能,所以,碳纖維混凝土可在工業防靜電、接地工程和鋼筋陰極保護等方面發揮重要作用。
(4)在普通混凝土中填加短切碳纖維,可以顯著增強混凝土的電磁禁止性能,因此,碳纖維禁止混凝土可以套用于軍事和商業中,例如防止核爆炸電磁殺傷、干擾和常規電磁武器殺傷、電磁禁止防護、電磁信號秘密的保護等,還可以套用於民用建築以防止電磁污染。
(5)碳纖維混凝土的力電效應與混凝土的力學行為關係密切,因而其電熱效應可用於橋樑路面的融雪化冰。
(6)利用碳纖維混凝土的力電效應,可以為無損傷檢測混凝土強度等提供新的方法。
(7)近年來,利用碳纖維增強材料修復補強混凝土結構的技術已日臻完善且迅速發展。例如,義大利的不少工業廠房(如雙曲薄殼)、橋樑、住宅(混凝土框架)採用貼上碳纖維增強塑膠筋帶進行加固效果明顯,達到原有強度和剛度的性能要求;日本在橋樑、橋面板、隧道工程中也有採用碳纖維增強塑膠筋片獲得成功的實例;連續纖維增強塑膠(FRP)補強加固技術日臻成熟,世界各國先後編制出相應的規範,我國於2003年頒布了CECS 146:2003《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》。
(8)碳纖維混凝土具有溫敏性,即溫度變化引起的電阻變化(溫阻性)及碳纖維混凝土內部的溫度差會產生電位差的熱電性(Seebeck效應),因此,可用於對建築物內部和周圍環境變化的實時監控;也可以實現對大體積混凝土的溫度自監控,以及用於熱敏元件和火警報警器等;可望用於有溫控和火災預警要求的智慧型混凝土結構中。
(9)利用碳纖維混凝土的力學機敏性,通過監測碳纖維混凝土的電阻變化率,就能夠掌握碳纖維混凝土結構的應力應變狀態,以實現對結構物損傷的定位及損傷程度的評估,可用於大壩、橋樑及重要的建築結構,實現對結構的實時線上監測。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們