碳纖維在土木工程中的應(yīng)用
發(fā)布日期：2010年12月16日
摘要: 文章詳細(xì)敘述了碳纖維在土木工程中的各種應(yīng)用形式、特點(diǎn)和實(shí)例,并指出其在應(yīng)用中存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞: 碳纖維; 土木工程; 結(jié)構(gòu)材料; 功能材料
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)“9·11”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,其中應(yīng)用廣的是玻璃鋼。這類材料的應(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, ①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; ②基體既可是樹(shù)脂又可以是水泥; ③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; ④既可單獨(dú)使用又可以與其它纖維混合使用; ⑤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 碳纖維在土木工程中的應(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繩,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。碳纖維筋的強(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)713MPa,高于鋼絞線與混凝土2197MPa的附著強(qiáng)度[ 1 ] ;碳纖維筋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、碼頭等易受腐蝕的結(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)范和標(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( TheBuffalo Creek Bridge) 。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) 。在水泥及其制品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: ①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; ②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,碳纖維還可使水泥制品具有導(dǎo)電、防磁功能,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AL2sha2heed紀(jì)念碑,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)廳采用了碳纖維增強(qiáng)水泥板后,建筑物墻體減重40%。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。碳纖維的加入使木材的抗拉強(qiáng)度、防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CFRP增強(qiáng),整個(gè)結(jié)構(gòu)減重20%[ 2 ] 。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CFRP 增強(qiáng)木材, 使極限負(fù)荷增加267%。這種增強(qiáng)木材重量輕、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[ 3 ] 。
(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)度和抗彎剛度,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)合材料代替型鋼使用。90年代初,日本開(kāi)始研究碳纖維型材,并在1997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外延性。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,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)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)專利SCR IMP工藝滿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),推進(jìn)了夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的發(fā)展[ 4 ] 。夾層構(gòu)件較多應(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GFRP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GFRP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。粘貼碳纖維復(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)件縱向的一側(cè),這主要是用來(lái)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,主要用來(lái)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①輕質(zhì)高強(qiáng),不影響外觀; ②防水耐腐,綜合效益高; ③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)周圍環(huán)境影響小,進(jìn)行橋梁加固時(shí)橋面通行不受影響; ④適用面廣,不受結(jié)構(gòu)類型和形式的影響。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、洛杉磯及日本阪神地震后,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)始的混凝土結(jié)構(gòu)到木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚結(jié)構(gòu)等。美國(guó)新發(fā)明的Geopolymer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[ 5 ] ,必將進(jìn)一步推動(dòng)這領(lǐng)域的發(fā)展。典型的是瑞士伊巴赫橋采用612Kg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[ 6 ] ,另外還有加拿大的CountryHills 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)脂基復(fù)合材料或碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料用作墻或地板的表層,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、抗靜電的特點(diǎn),還具有電磁屏蔽、防火功能,其外觀好不需要重新裝飾,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,在碳纖維的周圍,可加入導(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“公共廣場(chǎng)”綜合寫(xiě)字樓采用碳纖維敏感監(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[ 7 ] 。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[ 8 ] 。
3 展 望
碳纖維在土木工程應(yīng)用的大障礙是它的價(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)。另外,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)一及加強(qiáng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定也是推廣其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵所在。碳纖維突出優(yōu)點(diǎn)是它的比強(qiáng)度和比模量都很高,將其制成輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式是未來(lái)發(fā)展的主要方向。碳纖維的綜合性能優(yōu)異,使其同時(shí)作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料的應(yīng)用研究也相當(dāng)重要,它可以解決許多場(chǎng)合其它材料無(wú)法解決的問(wèn)題。目前,碳纖維與混凝土的結(jié)合主要是在加固方面,而在原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。因成本問(wèn)題,永久性模板還以玻璃纖維為主。碳纖維在這方面應(yīng)用的研究工作正處于起步階段,僅限于梁、柱構(gòu)件,還沒(méi)有混凝土樓板和墻的報(bào)道。因而碳纖維在土木工程中應(yīng)用具有非常廣闊的發(fā)展空間
