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(yīng)用

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

　　關(guān)鍵詞：碳纖維 材料特性 土木工程

　　1、碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的發(fā)展歷程

　　纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)問(wèn)世于20世紀(jì)40年代。CFRP最開(kāi)始由美國(guó)制造。1950年，美國(guó)空軍基地在2 000℃高溫下?tīng)恳嗽旖z得到CFRP。1959年美國(guó)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(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯腈基CFRP的工業(yè)化生產(chǎn);1963年英國(guó)航空材料研究所開(kāi)發(fā)出高模量聚丙烯腈基CFRP;1965年日本群馬大學(xué)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(qiáng)、高彈模的芳香族聚酰胺纖維;1970年，日本吳羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)瀝青基纖維的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);1972年，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)出密度1.2～1.5 t/m3強(qiáng)度達(dá)3 000 MPa的Aramid(阿拉米德) CFRP;1980年美國(guó)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(chǎng);1996年全世界碳纖維總生產(chǎn)量已達(dá)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(wàn)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(guó)其次.其他國(guó)家產(chǎn)量很少。

　　2、碳纖維在土木工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

　　2.1 國(guó)外的應(yīng)用研究狀況

　　CFRP材料首先應(yīng)用于航天工業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)70年代已趨于成熟。在土木工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)。但當(dāng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果不理想，而且價(jià)格很高，所以在其后的二十多年里，F(xiàn)RP材料在土木領(lǐng)域的研究與應(yīng)用沒(méi)有得到很大的發(fā)展。在土木工程中的應(yīng)用研究直到80年代初才開(kāi)始重視，但相關(guān)的研究主要集中在歐美、日本和澳大利亞等國(guó)。應(yīng)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(yīng)用較多。

　　1991年7月，瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試研究所首次在總長(zhǎng)228 m的多跨連續(xù)箱型梁橋(Ibach橋)進(jìn)行了碳纖維加固試驗(yàn)并獲得了成功。20世紀(jì)90年代國(guó)際上對(duì)碳纖維材料在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)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(yīng)用.有些發(fā)達(dá)國(guó)家已編寫(xiě)了相關(guān)的設(shè)計(jì)，施工規(guī)程，指南和手冊(cè)。1997年英國(guó)至少在30座橋梁和結(jié)構(gòu)物中采用CFRP加固和修補(bǔ)技術(shù)。美國(guó)和加拿大的鹽害較嚴(yán)重，約有60萬(wàn)座橋梁受害，需要加固和修復(fù)。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)已經(jīng)成立了專門(mén)委員會(huì)(ACI440)，在美國(guó)很多機(jī)構(gòu)開(kāi)始CFRP的應(yīng)用研究;加拿大也已經(jīng)建立了相關(guān)的研究開(kāi)發(fā)基地，并且編制CFRP的規(guī)程。日本在土木工程中應(yīng)用CFRP已經(jīng)有20多年的歷史。

　　2.2 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究狀況

　　我國(guó)對(duì)土木結(jié)構(gòu)方面的CFRP研究起步比較晚，在1996年前后才開(kāi)始[28].目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)。最初只有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心進(jìn)行相關(guān)研究，后來(lái)清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等十余所高校相繼開(kāi)始，并在在板梁柱的模型實(shí)驗(yàn)和加固與修復(fù)方面取得實(shí)質(zhì)性成果。直到1998年才有少量的工程開(kāi)始應(yīng)用。2000年 6月召開(kāi)了“首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)”。我國(guó)已編制并頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》和《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用粘貼樹(shù)脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》。FRP國(guó)家規(guī)范正在編制中。

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

　　3、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;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)。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。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。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。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。

　　4、展望

　　碳纖維在土木工程應(yīng)用的最大障礙是它的價(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。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。

　　參考文獻(xiàn)：

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

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