碳纤维在土木工程中的应用

1　前　言

       常用土木工程材料有水泥、砂石、钢材、木材、砖等,其中混凝土与钢筋的结合被认为是应用最广泛的结构材料。但随着结构服役时间的增长,越来越多的问题暴露出来,其中具有代表性的是20 世纪80年代出现的“混凝土危机”所反映的混凝土耐久性问题。钢结构的应用也具有一定的比例,它克服了混凝土结构自身笨重的弱点,但在使用中出现了高温下易屈服和地震中脆断的问题,其中有代表性的是美国“9·11”事件和日本的阪神地震。20世纪材料科学得到了长足的发展,纤维复合材料被应用于土木工程,其中应用最广的是玻璃钢。这类材料的应用使得土木工程的结构形式灵活、功能多样,但玻璃钢的模量较低,限制了其作为结构材料在土木工程中的推广应用。

       碳纤维的比强度和比模量高,分别为钢材的10倍和5倍以上;同时它还具有优异的导电、抗磁化、耐高温和耐化学侵蚀的性能,被认为是综合性能最好的先进材料,因此它在各个领域中的应用推广非常迅速。碳纤维的应用形式灵活多样, ①既可利用其长纤维作为结构材料,又可利用其短纤维作为功能材料; ②基体既可是树脂又可以是水泥; ③其与基体组成的复合材料既可置于构件的外表又可置于构件的内部; ④既可单独使用又可以与其它纤维混合使用; ⑤其复合材料是各向异性材料,因而可以变化各个方向的性能,尤其是可以设计成膨胀系数为零的材料。碳纤维在土木工程中的许多方面都可以发挥其优势性能。

2　碳纤维在土木工程中的应用现状

       目前碳纤维主要以结构材料和功能材料两种形式应用于土木工程,其中作为结构材料的应用最多。

2·1　碳纤维作为结构材料的应用

      (1)碳纤维筋。它是由多股连续纤维长丝,浸渍树脂基材料,经专用涂层敷设机制成线性预坯料,然后加捻合股制成坯绳,经特制的模具拉挤成型的复合材料。碳纤维筋的加工属于连续加工工艺,机械化程度较高,性能稳定。碳纤维筋的强度比低碳钢高约90% ,而重量仅为后者的1 /5左右;碳纤维与混凝土的附着强度高达713MPa,高于钢绞线与混凝土2197MPa的附着强度[ 1 ] ;碳纤维筋具有良好的拉伸疲劳性能及耐腐蚀、抗冲击、柔性高和易于操作的性能,因此在桥梁、码头等易受腐蚀的结构中应用较多。碳纤维筋在80年代末开始应用于土木工程,目前在美国已经商品化。我国在这方面的研究较晚,但研究速度较快,已经做了大量试验,并正在制定相关的规范和标准。1988 年日本率先在新宫桥采用碳纤维绞线作为预应力筋。1996 年美国建成了世界上第一座复合材料棒材增强混凝土桥( TheBuffalo Creek Bridge) 。如泰勒大桥及Dintelhaven大桥等都采用了碳纤维筋,或是用于增强混凝土,或是用作预应力筋、预应力拉索等,使用至今效果很好。

      (2)碳纤维增强水泥(CFRC) 。在水泥及其制品中掺和一定量高性能碳纤维和高效外加剂,以有效控制水泥及其制品塑性收缩及早期裂纹,提高水泥及其制品的密实性,增加水泥及其制品后期强度。碳纤维增强砂浆和混凝土是研究的主要方向。增强水泥用碳纤维主要是短切碳纤维。按水泥制品的用途不同,同样可以将其分为结构材料和功能材料两类: ①作为结构材料,碳纤维提高了水泥制品的抗拉、抗弯和抗冲击强度,改善了水泥制品的韧性及抗震性能,减缓了水泥制品损伤的发展,主要用于结构中的节点部位、桩的两端及大体积混凝土; ②作为功能材料,碳纤维提高了混凝土的抗裂、防渗、耐温差、耐磨等性能,可用于恶劣环境下的防水及防腐蚀层。另外,碳纤维还可使水泥制品具有导电、防磁功能,制作成电磁屏蔽板及防静电地板等各种水泥纤维板。碳纤维增强水泥的研究始于20 世纪80 年代初,应用于80年代末。由于玻璃纤维和合成纤维的价格便宜,纤维增强水泥制品中碳纤维应用得还不多。1984年日本鹿岛公司在伊拉克建设的AL2sha2heed纪念碑,在所有水泥制品中全部掺入了碳纤维。日本东京摩丽艺术厅采用了碳纤维增强水泥板后,建筑物墙体减重40%。广州新中国大厦、张家口煤气管道沟和国家黄金局地下金库工程的地下室底板大体积混凝土采用碳纤维混凝土,抗裂性取得了很好的效果。

      (3) 碳纤维增强木材。用碳纤维包裹木材或将碳纤维片材铺设于木材的某个侧面或中间而形成的一种新型结构材料。无论是普通木材还是胶合木材都可以使用碳纤维进行增强。这种复合结构的形式灵活,并可以做成梁、板、柱等各种构件。利用速生木材(成材只需2a)和回收的木材重新加工,大幅度提高木材的结构性能,从而节约森林资源。碳纤维的加入使木材的抗拉强度、防腐防火等性能大为提高,使其应用领域更为广泛。碳纤维增强木材的研究始于20世纪90年代,由于木结构的抗拉强度较低,限制了其使用跨度和应用范围。美国、日本、澳大利亚等国家在这方面进行了大量的研究和应用。瑞士Murgenthal的阿勒河桥木梁底部采用CFRP增强,整个结构减重20%[ 2 ] 。日本Hokkaido 的35m跨桥采用碳纤维增强胶层板梁建成。英国皇家研究中心(RAE) 用CFRP 增强木材, 使极限负荷增加267%。这种增强木材重量轻、能承受较大的负荷,可用于高级礼堂和体育馆的屋顶,增强木材所制成的框架比一般木材轻20%左右[ 3 ] 。

      (4)碳纤维型材。连续碳纤维浸渍树脂经拉挤机制成各种截面形状的长条形构件。碳纤维复合材料可拉挤加工成H型、箱型、圆型等截面形状,在箱型和圆型截面构件中还可以填充轻质芯材或混凝土等材料,具有较高的抗拉强度和抗弯刚度,用作土木工程的结构部分。它们多为工厂预制,安装方便快捷,且具有较好的结构耐久性,是未来结构发展的新方向。20世纪80 年代后期,美国开始利用玻璃纤维增强复合材料代替型钢使用。90年代初,日本开始研究碳纤维型材,并在1997年达到实用化。

      (5)碳纤维永久模板。碳纤维和树脂材料按照所需的强度和刚度要求加工成各种形状的模板,在浇筑混凝土后不予拆除,而直接充当结构构件的一部分,这种结构也称为混凝土纤维壳体系。这种永久性模板具有较高的强度,对混凝土有很大的约束作用,既提高了混凝土的强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蚀,大幅提高了混凝土的耐久性。模板的外侧可以做成各种纹面,起到了很好的装饰作用,也可以减少再装饰产生的弊端。其施工简易方便,降低了工程造价,加快了工程进度,因而它具有广阔的应用前景。20世纪90年代日本研制成功复合材料模板并实用化。因碳纤维价格较昂贵,玻璃纤维价格相对低廉,现在这种模板还是以玻璃纤维应用为主。同济大学的永久性模板混凝土柱的试验也证实了复合材料模板对混凝土的多重功效。

      (6)碳纤维夹层结构构件。它是由分布于构件外侧的碳纤维复合材料和内部的芯材形成的构件,涉及梁、板(壳) 、柱等多种类型。碳纤维夹层结构构件是高强度的碳纤维复合材料分布于构件的外侧,内部采用芯材来提高截面的惯性距,使构件同时获得了较高的强度和刚度。未来的结构朝着轻而刚、强的方向发展,夹芯杆件中的芯材多为蜂窝、泡沫塑料、软木等轻质材料,不会因此而增加较大的重量,所以这种结构形式在工程中有很大的应用价值。美国专利SCR IMP工艺满足了土木工程中的构件大尺寸的要求,可以进行工厂化生产,推进了夹层结构构件的发展[ 4 ] 。夹层构件较多应用于高级礼堂和体育馆的屋顶、桥梁的承重部分。对于所受荷载特别大的构件也可以做成组合的箱型构件。

      (7)碳纤维大跨度管线。采用GFRP制成六边形壳体,在其上部和下部沿管线采用碳纤维片材进行增强。这种管线克服了金属材料自重大、易腐蚀和单独使用GFRP刚性不足的弱点。

      (8)碳纤维加固结构。在使用过程中建筑物性能不能满足新的要求,将碳纤维材料粘贴于结构构件的表面进行补强加固。粘贴碳纤维复合材料补强加固的方法主要有两种:一种是将片材贴于构件纵向的一侧,这主要是用来进行抗拉和抗弯能力的补强;另一种是将片材沿着梁横向粘贴于构件两侧或进行U型、方框型缠绕,主要用来进行抗剪、抗压或抗震能力的补强。碳纤维复合材料加固结构构件技术的突出优势在于①轻质高强,不影响外观; ②防水耐腐,综合效益高; ③柔软性好、施工便捷,质量易保证,不会减少使用空间,对周围环境影响小,进行桥梁加固时桥面通行不受影响; ④适用面广,不受结构类型和形式的影响。国外从20世纪80年代开始研究碳纤维加固法并广泛应用。在美国旧金山、洛杉矶及日本阪神地震后,大批的建筑物和桥梁都采用碳纤维复合材料进行外包防护,以提高其抗震能力。目前各个国家都制定了碳纤维加固的技术规程,碳纤维加固结构构件的应用范围也逐步扩大,从开始的混凝土结构到木结构、钢结构、砖结构等。美国新发明的Geopolymer基体与水泥制品有较强的亲密性,同时还具有防火的功能[ 5 ] ,必将进一步推动这领域的发展。最典型的是瑞士伊巴赫桥采用612Kg重的CFRP完成了175Kg重钢板才能完成的228m连续箱梁的腹板加固[ 6 ] ,另外还有加拿大的CountryHills Boulevard桥、德国的卡特布西桥、日本的东名高速公路、东京高架桥、东京富士贝大桥等,其中有因预应力筋被不慎割断而需加固;有因混凝土的严重开裂而需加固;也有因使用要求的提高而需加固。加固对象包括桥面、桥墩、承重梁等各个部位。

2·2　碳纤维作为功能材料的应用

       (1)碳纤维多功能板。碳纤维增强树脂基复合材料或碳纤维增强水泥基复合材料用作墙或地板的表层,内部采用特殊功能的夹芯。碳纤维功能板具有耐蚀、轻质高强、保温隔热、抗静电的特点,还具有电磁屏蔽、防火功能,其外观好不需要重新装饰,特别是墙面污渍清除容易,因而在自动化办公室、通讯和高层、高档建筑中被广泛采用。美国许多证券公司、医院和军事设施都采用碳纤维多功能板,以起到磁屏蔽的作用。

       (2)建筑物的智能检测。在建筑物正常使用阶段,对建筑物所做的非破坏性性能检测,以较早地掌握建筑物实际状态从而做出各种应对策略。该项技术充分利用了碳纤维的导电性能,通过碳纤维电阻的变化来预测碳纤维丝的变形和开裂情况,以得知整个结构的状态。为了增加检测的灵敏度,在碳纤维的周围,可加入导电性板状炭质粉体和其它的导电陶瓷粉体。这种智能检测还可用于银行的防盗保安墙体和监测管道的渗漏情况。1995 年日本阪神地震后,日本、美国、加拿大等国家开始研究这种智能检测技术,并开发出一系列的智能结构体系。日本清水建设公司建造的66层的“公共广场”综合写字楼采用碳纤维敏感监测棒材埋入高层混凝土墙体中,以随时掌握高层大楼各部位的受力和变形情况[ 7 ] 。St. Fancois河上的Joffre桥的桥面板使用了CFRP格栅进行加固。一些CFRP格栅中放置了结构一体化的纤维光学感应器,振动式电阻丝应变传感器和电阻应变计。所有的传感器与电话线相连,以便对该桥进行连续地遥测。Joffre桥是世界上第一座在碳纤维格栅加固中引入嵌入式传感器的桥梁[ 8 ] 。

3　展　望

       碳纤维在土木工程应用的最大障碍是它的价格,因此如何降低碳纤维的成本,增大碳纤维的使用数量是急需解决的关键课题,这主要涉及到原材料和生产技术两个方面。既要不断改善碳纤维及其基体、粘结材料的性能,使其满足如高温、腐蚀等特殊环境的要求,又要开发出符合土木工程中大结构尺寸需求的生产技术。另外,碳纤维本身的研究理论还不充分,在土木工程中的设计理论也不成熟,还只能依靠使用较大的安全系数来保证结构的可靠性。国内外对使用碳纤维所制定的标准也存在很大的差异,统一及加强规范和标准的制定也是推广其应用的一个关键所在。碳纤维突出优点是它的比强度和比模量都很高,将其制成轻质高强的结构形式是未来发展的主要方向。碳纤维的综合性能优异,使其同时作为结构材料和功能材料的应用研究也相当重要,它可以解决许多场合其它材料无法解决的问题。目前,碳纤维与混凝土的结合主要是在加固方面,而在原始结构设计中应用较少。因成本问题,永久性模板还以玻璃纤维为主。碳纤维在这方面应用的研究工作正处于起步阶段,仅限于梁、柱构件,还没有混凝土楼板和墙的报道。因而碳纤维在土木工程中应用具有非常广阔的发展空间。

[ 1 ] 贺福, 王茂章. 碳纤维及其复合材料[M ]. 北京: 科学出版社, 1997.
[ 2 ] Steiger R. Fiber reinforced p lastics in timber structures[A ]. Swiss
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[ 3 ] 王茂章,贺福. 碳纤维的制造、性质及其应用[M ]. 北京:科学出版社, 1984.
[ 4 ] Achenbach J D, H Zhu. Effect of interphases on micro and macromechanical behavior of hexagonal [ J ]. Array Fiber Composite App lMech, 1990, 57 (4) ∶9562963.
[ 5 ] Peter Chang. Failure mechanism of geopolymer composites [ A ].Geopolymer Composites Testing Report[ C ]. 2004.
[ 6 ] Mckenna J K, ErkiM A. Strengthening of reinforced concrete flex2uralmembers using externally app lied steel p lates and fiber compos2ite sheet2a survey [ J ]. Canadian Journal of Civil Engineering,1994, 21∶16224.
[ 7 ] 李建保,王厚亮,孙格靓等. 碳纤维复合材料在智能建筑结构中的应用[ J ]. 炭素技术, 2000, 4∶54257.
[ 8 ] Sami Rizkalla, Pierre labobossiere. structure engineering with FRPin Canada[ J ]. Concrete International, 1999, 10∶25228.