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)用中存在的問題和未來發(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,越來越多的問題暴露出來,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題,其中有代表性的是美國“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)纖維長絲,浸漬樹脂基材料,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% ,而重量僅為后者的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年代末開始應(yīng)用于土木工程,目前在美國已經(jīng)商品化。我國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%。廣州新中國大廈、張家口煤氣管道溝和國家黃金局地下金庫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、日本、澳大利亞等國家在這方面進(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)碳纖維浸漬樹脂經(jīng)拉擠機(jī)制成各種截面形狀的長條形構(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,是未來結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向。20世紀(jì)80 年代后期,美國開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。國外從20世紀(jì)80年代開始研究碳纖維加固法并廣泛應(yīng)用。在美國舊金山、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,通過碳纖維電阻的變化來預(yù)測(cè)碳纖維絲的變形和開裂情況,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、加拿大等國家開始研究這種智能檢測(cè)技術(shù),并開發(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)來保證結(jié)構(gòu)的可靠性。國內(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)合其它材料無法解決的問題。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
