土木工程材料課程論文篇2

　　淺談碳纖維材料在土木工程中的應用

　　摘要：碳纖維復合材料(CFRP)作為一種新型材料，有著優(yōu)良的物理特力學性能。近年來在土木工程中的應用越來越廣泛。綜述了CFRP的發(fā)展歷程及主要研究成果。

　　關鍵詞：碳纖維 材料特性 土木工程

　　1、碳纖維復合材料(CFRP)的發(fā)展歷程

　　纖維增強聚合物復合材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)問世于20世紀40年代。CFRP最開始由美國制造。1950年，美國空軍基地在2 000℃高溫下牽引人造絲得到CFRP。1959年美國聯(lián)合碳化公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP;1962年，日本碳素公司實現(xiàn)低模量聚丙烯腈基CFRP的工業(yè)化生產(chǎn);1963年英國航空材料研究所開發(fā)出高模量聚丙烯腈基CFRP;1965年日本群馬大學試制造出瀝青或木質(zhì)素為原料的通用型CFRP;

　　1969年，日本大谷杉郎從特殊的共聚PAN中生產(chǎn)出高強、高彈模的芳香族聚酰胺纖維;1970年，日本吳羽化學公司實現(xiàn)瀝青基纖維的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);1972年，美國杜邦公司生產(chǎn)出密度1.2～1.5 t/m3強度達3 000 MPa的Aramid(阿拉米德) CFRP;1980年美國金剛砂公司研制出酚醛纖維為原絲的活性碳纖維并投放市場;1996年全世界碳纖維總生產(chǎn)量已達17 000 t，其中聚丙烯腈基纖維占85%，其余是瀝青基纖維。2002年世界聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)能力約為3.1萬t，其中75%是小絲束碳纖維，25%是大絲束碳纖維。碳纖維材料主要由日本生產(chǎn)，美國其次.其他國家產(chǎn)量很少。

　　2、碳纖維在土木工程中的應用研究現(xiàn)狀

　　2.1 國外的應用研究狀況

　　CFRP材料首先應用于航天工業(yè)，這項技術在20世紀70年代已趨于成熟。在土木工程中的應用始于20世紀60年代的美國。但當時試驗結(jié)果不理想，而且價格很高，所以在其后的二十多年里，F(xiàn)RP材料在土木領域的研究與應用沒有得到很大的發(fā)展。在土木工程中的應用研究直到80年代初才開始重視，但相關的研究主要集中在歐美、日本和澳大利亞等國。應用范圍多集中于橋梁、海工構(gòu)筑物、非磁性建筑等工程，其中橋梁方面應用較多。

　　1991年7月，瑞士聯(lián)邦材料測試研究所首次在總長228 m的多跨連續(xù)箱型梁橋(Ibach橋)進行了碳纖維加固試驗并獲得了成功。20世紀90年代國際上對碳纖維材料在土木工程中的應用進行了廣泛和系統(tǒng)的研究，尤其在橋梁、隧道和房建加固工程中首先得到了廣泛應用.有些發(fā)達國家已編寫了相關的設計，施工規(guī)程，指南和手冊。1997年英國至少在30座橋梁和結(jié)構(gòu)物中采用CFRP加固和修補技術。美國和加拿大的鹽害較嚴重，約有60萬座橋梁受害，需要加固和修復。美國混凝土協(xié)會(ACI)已經(jīng)成立了專門委員會(ACI440)，在美國很多機構(gòu)開始CFRP的應用研究;加拿大也已經(jīng)建立了相關的研究開發(fā)基地，并且編制CFRP的規(guī)程。日本在土木工程中應用CFRP已經(jīng)有20多年的歷史。

　　2.2 國內(nèi)的應用研究狀況

　　我國對土木結(jié)構(gòu)方面的CFRP研究起步比較晚，在1996年前后才開始[28].目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修復混凝土結(jié)構(gòu)。最初只有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術研究中心進行相關研究，后來清華大學、同濟大學、湖南大學、哈爾濱工業(yè)大學等十余所高校相繼開始，并在在板梁柱的模型實驗和加固與修復方面取得實質(zhì)性成果。直到1998年才有少量的工程開始應用。2000年 6月召開了“首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學術交流會”。我國已編制并頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》，《結(jié)構(gòu)加固修復用碳纖維片材產(chǎn)品標準》和《結(jié)構(gòu)加固修復用粘貼樹脂產(chǎn)品標準》。FRP國家規(guī)范正在編制中。

　　近年來，F(xiàn)RP的應用研究發(fā)展很快，我國已有部分企業(yè)開始生產(chǎn)GFRP和CFFP筋。在修復和加固混凝土結(jié)構(gòu)方面，理論上已經(jīng)比較成熟，技術上也日趨完善。

　　3、碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料的應用

　　(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)專用涂層敷設機制成線性預坯料，然后加捻合股制成坯繩，經(jīng)特制的模具拉擠成型的復合材料。碳纖維筋的加工屬于連續(xù)加工工藝，機械化程度較高，性能穩(wěn)定。碳纖維筋的強度比低碳鋼高約90%，而重量僅為后者的1/5左右;碳纖維與混凝土的附著強度高達713MPa，高于鋼絞線與混凝土2197MPa的附著強度;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)中應用較多。碳纖維筋在80年代末開始應用于土木工程，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，并正在制定相關的規(guī)范和標準。1996年美國建成了世界上第一座復合材料棒材增強混凝土橋。如泰勒大橋及Dintelhaven大橋等都采用了碳纖維筋，或是用于增強混凝土，或是用作預應力筋、預應力拉索等，使用至今效果很好。

　　(2)碳纖維增強水泥(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性，增加水泥及其制品后期強度。碳纖維增強砂漿和混凝土是研究的主要方向。增強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。碳纖維增強水泥的研究始于20世紀80年代初，應用于80年代末。由于玻璃纖維和合成纖維的價格便宜，纖維增強水泥制品中碳纖維應用得還不多。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)碳纖維增強木材。

　　用碳纖維包裹木材或?qū)⑻祭w維片材鋪設于木材的某個側(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行增強。這種復合結(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度、防腐防火等性能大為提高，使其應用領域更為廣泛。碳纖維增強木材的研究始于20世紀90年代，由于木結(jié)構(gòu)的抗拉強度較低，限制了其使用跨度和應用范圍。美國、日本、澳大利亞等國家在這方面進行了大量的研究和應用。英國皇家研究中心(RAE)用CFRP增強木材，使極限負荷增加267%。這種增強木材重量輕、能承受較大的負荷，可用于高級禮堂和體育館的屋頂，增強木材所制成的框架比一般木材輕20%左右。

　　4、展望

　　碳纖維在土木工程應用的最大障礙是它的價格，因此如何降低碳纖維的成本，增大碳纖維的使用數(shù)量是急需解決的關鍵課題，這主要涉及到原材料和生產(chǎn)技術兩個方面。碳纖維突出優(yōu)點是它的比強度和比模量都很高，將其制成輕質(zhì)高強的結(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，使其同時作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料的應用研究也相當重要，它可以解決許多場合其它材料無法解決的問題。

　　參考文獻：

　　[1]賀福，王茂章.碳纖維及其復合材料[M].北京：科學出版社， 1997.

　　[2] SteigerR. Fiber reinforced plastics in timber structures[A]. Swiss

　　Federal Laboratories for Materials Testing and Research Report[C]，EMPA， 2002.