碳纖維混凝土

20世紀(jì)70年代，英國(guó)首先制作了聚丙烯腈基（PAN）碳素纖維增強(qiáng)水泥基材料的板材，并應(yīng)用于建筑，開(kāi)創(chuàng)了CFRC研究和應(yīng)用的先例。

在所有元素中，碳元素在構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的能力方面似乎是獨(dú)一無(wú)二的。這使碳纖維具有極高的強(qiáng)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屏蔽效應(yīng)，故能制成智能材料，在航空、航天、電子、機(jī)械、化工、醫(yī)學(xué)材料、體育娛樂(lè)用品等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛運(yùn)用。

CFRC具有耐磨性、耐干縮性、抗?jié)B性和抗化學(xué)腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，用作建筑材料的涂層和路面材料是很理想的，在實(shí)際建筑中使用有相當(dāng)潛力。在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，廣泛應(yīng)用的是短切瀝青基碳纖維混凝土，主要制成各種屋面、內(nèi)外墻、地面及天花板的板材，也可用于承載構(gòu)件。1982年，日本鹿島建設(shè)公司率先開(kāi)發(fā)輕質(zhì)CFRC復(fù)合板，建成了巴格達(dá)AI—Shaheed紀(jì)念館，開(kāi)始了工程上的首次應(yīng)用，此后又有40多個(gè)大型建筑中使用CFRC用作外墻墻板和幕墻材料。他們表現(xiàn)出耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)、面積大、接縫少、柔韌性好、抗震抗風(fēng)能力強(qiáng)、工期短等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)前，另外一種發(fā)展趨勢(shì)就是PAN基碳纖維來(lái)增強(qiáng)水泥，性能上優(yōu)于通用瀝青基碳纖維。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采用了碳纖維復(fù)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(zhǎng)絲浸漬環(huán)氧樹(shù)脂固化后的補(bǔ)強(qiáng)筋代替鋼筋已有產(chǎn)品上市。

碳纖維混凝土已在以下方面得到了廣泛應(yīng)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(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和抗沖擊性能，降低干縮，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(jié)強(qiáng)度和提高磚與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，因而在實(shí)際建筑中使用有相當(dāng)潛力。利用短切碳纖維增強(qiáng)混凝土，可以制成各種屋面、內(nèi)外墻、地面及天花板的板材等，未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)是利用通長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)混凝土作為承重構(gòu)件。

(2)碳纖維能阻止混凝土構(gòu)件裂縫的擴(kuò)散展開(kāi)，而我國(guó)高強(qiáng)度混凝土裂縫問(wèn)題較突出，因而可研究嘗試采用碳纖維來(lái)改善高強(qiáng)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(dǎo)電性能，所以，碳纖維混凝土可在工業(yè)防靜電、接地工程和鋼筋陰極保護(hù)等方面發(fā)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(qiáng)混凝土的電磁屏蔽性能，因此，碳纖維屏蔽混凝土可以應(yīng)用于軍事和商業(yè)中，例如防止核爆炸電磁殺傷、干擾和常規(guī)電磁武器殺傷、電磁屏蔽防護(hù)、電磁信號(hào)秘密的保護(hù)等，還可以應(yīng)用于民用建筑以防止電磁污染。

(5)碳纖維混凝土的力電效應(yīng)與混凝土的力學(xué)行為關(guān)系密切，因而其電熱效應(yīng)可用于橋梁路面的融雪化冰。

(6)利用碳纖維混凝土的力電效應(yīng)，可以為無(wú)損傷檢測(cè)混凝土強(qiáng)度等提供新的方法。

(7)近年來(lái)，利用碳纖維增強(qiáng)材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)已日臻完善且迅速發(fā)展。例如，意大利的不少工業(yè)廠房(如雙曲薄殼)、橋梁、住宅(混凝土框架)采用粘貼碳纖維增強(qiáng)塑料筋帶進(jìn)行加固效果明顯，達(dá)到原有強(qiáng)度和剛度的性能要求;日本在橋梁、橋面板、隧道工程中也有采用碳纖維增強(qiáng)塑料筋片獲得成功的實(shí)例;連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料(FRP)補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)日臻成熟，世界各國(guó)先后編制出相應(yīng)的規(guī)范，我國(guó)于2003年頒布了CECS 146：2003《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(nèi)部的溫度差會(huì)產(chǎn)生電位差的熱電性(Seebeck效應(yīng))，因此，可用于對(duì)建筑物內(nèi)部和周?chē)h(huán)境變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控;也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積混凝土的溫度自監(jiān)控，以及用于熱敏元件和火警報(bào)警器等;可望用于有溫控和火災(zāi)預(yù)警要求的智能混凝土結(jié)構(gòu)中。

(9)利用碳纖維混凝土的力學(xué)機(jī)敏性，通過(guò)監(jiān)測(cè)碳纖維混凝土的電阻變化率，就能夠掌握碳纖維混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物損傷的定位及損傷程度的評(píng)估，可用于大壩、橋梁及重要的建筑結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

單向增強(qiáng)混凝土和普通混凝土受彎時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1《混凝土受彎時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變曲線圖》所示?？梢钥闯?，相比普通混凝土，碳纖維增強(qiáng)混凝土不僅抗拉強(qiáng)度增加，而且表現(xiàn)出良好的韌性。這是因?yàn)槔w維的拉出，需要吸收很多的能量。

美國(guó)紐約大學(xué)的DDL.Chung等人通過(guò)大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土中摻加少量的碳纖維(質(zhì)量百分含量為0.6%左右)，材料的抗拉強(qiáng)度和抗拉延性分別提高30% 和25% .當(dāng)對(duì)摻人其中的硅粉和碳纖維進(jìn)行表面處理(如臭氧處理，硅烷處理等)后，其強(qiáng)度可進(jìn)一步增加。此外，摻入碳纖維后相同齡期的干縮值較普通混凝土明顯降低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其28d的干縮值降低32%。

CFRC人工巖是把碳纖維攪拌在水泥中，制成的碳纖維增強(qiáng)混凝土，并用于造景工程。CFRC人工巖與GRC人工巖相比較，其抗鹽侵蝕、抗紫外線照射能力等方面均明顯優(yōu)于GRC，并具耐高溫、抗凍融合抗干濕變化等優(yōu)點(diǎn)，是耐久性優(yōu)異的水泥基材料，適合于沿海地域等各種自然環(huán)境的護(hù)岸、護(hù)坡。由于其可塑性強(qiáng)，更適用于園林假山造景、浮雕、廣告牌等各種景觀的再創(chuàng)造。

序

前言

第1章緒論

第2章碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能

第3章CFRP筋用黏結(jié)式錨具

第4章CFRP筋用夾持式錨具

第5章CFRP筋用復(fù)合式錨具

第6章碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的功能特性

第7章CFRP斜拉索非線性靜動(dòng)力特性及參數(shù)分析

第8章CFRP索斜拉試驗(yàn)橋靜動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究與分析

第9章CFRP索長(zhǎng)大跨斜拉橋靜動(dòng)力學(xué)分析

第10章碳纖維混凝土材料及其結(jié)構(gòu)的智能特性 2100433B

以水泥漿、砂漿或混凝土作基材，以纖維作增強(qiáng)材料所組成的水泥基復(fù)合材料，稱為纖維混凝土。纖維可控制基體混凝土裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高抗裂性。由于纖維的抗拉強(qiáng)度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及延伸率和韌性得以提高。纖維混凝土的主要品種有石棉水泥、鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土及碳纖維混凝土、植物纖維混凝土和高彈模合成纖維混凝土等。

編著者的話

前言

術(shù)語(yǔ)表

符號(hào)表

緒論

碳纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)述

碳纖維分類(lèi)

碳纖維的主要特性

碳纖維的發(fā)展簡(jiǎn)史

碳纖維在水工程中的應(yīng)用

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)機(jī)理

碳纖維與粘結(jié)劑的材料性能

混凝土梁碳纖維增強(qiáng)復(fù)合物加固機(jī)理

碳纖維加固有初始裂縫混凝土梁時(shí)，對(duì)稱集中茶載作用下的界面剪應(yīng)力

碳纖維混凝土的阻裂作用

纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土的粘結(jié)機(jī)理

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

國(guó)外FRP設(shè)計(jì)指南與設(shè)計(jì)原則

碳纖維片材受變加固設(shè)計(jì)計(jì)算

碳纖維片材受剪加固設(shè)計(jì)計(jì)算

柱的抗震加固計(jì)算

……

碳纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土配合比設(shè)計(jì)

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固施工工藝

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用案例

碳纖維增強(qiáng)混凝土的典型應(yīng)用案例

附錄

……