试谈碳纤维在土木建筑中的应用

摘要：本文对碳纤维在土木建筑中的应用进行了一定的分析和探讨，对碳纤维材料的发展进行分析和研究。

关键词：碳纤维；复合材料；土木建筑

Abstract: in this paper the application of carbon fiber in civil building it is analyzed and discussed, the development of carbon fibre material analysis and research.

Keywords: carbon fiber; Composite materials; Civil construction

中图分类号： TQ342+.74 文献标识码：A 文章编号：

碳纤维作为一种新型的材料，其具有许多良好的特点，如具有耐高温、耐疲劳、耐腐蚀、高比模量、高比强度、热膨胀系数小、导电等优异性能。它作为功能材料进行一定的发挥，也可作为结构材料进行负荷的承载。在土木建筑中，会运用到大量的水泥，但水泥的抗拉强度低、脆性大，形成了施工中的严重弊端，为解决这一问题，可进行碳纤维的应用，能够达到一定的效果。

一、碳纤维的应用特点

（一）碳纤维增强混凝土

作为长纤维或短纤维增强的一种混凝土材料，碳纤维增强混凝土有着很好的特性。其主要用于建筑中的外墙墙板的设置和施工，主要特征为：能够增强混凝土的优良机械性能、耐自然温差性能、防水渗透性能等，在强碱的环境下，还具有一定的稳定性尺寸、机械强度的持久以及化学性能的稳定。对碳纤维进行取代钢筋的应用，可对钢筋混凝土的劣化作用和盐水降解有所消除，一定程度上减轻建筑的构件重量，使安装的施工更加方便以及缩短了建筑工程施工的时间。此外，震动阻尼特性也是碳纤维的优良特性之一，其能够对震动波进行吸收，提高了抗弯强度和防震能力。

（二）碳纤维复合材料片

碳纤维复合材料片的制造，采用的是常温固化条件下的热固性树脂，在碳纤维束的粘结中，所制成的一种薄片。对于这种薄片而言，要对其进行严格的设计，并将其贴在结构物的固定部位上，使碳纤维的高拉伸强度和高拉伸模量的作用得到充分的发挥，来进行钢筋混凝土结构物的加固和修补。在石油平台以及耐冲击性能的工程中，美国、英国、日本等国都进行了复合材料片的应用，来对震后受损的混凝土桥板进行加固，并取得了一定的进展和突破。碳纤维复合材料片的重量非常的轻，其拉伸模量是钢材的10倍，具有优异的耐腐蚀性能等良好的工艺性。因此，在对用旧观念设计而成的钢筋混凝土结构物的加固、补强以及结构物耐力的提高和对劣化钢筋混凝土结构物进行加固、修补中，广泛的进行了碳纤维复合材料片的应用。

（三）纤维增强胶接层板

纤维增强胶接层板，即在木板的两面进行一二层纤维增强胶的胶粘所形成的一种接层板，以此对压缩载荷或拉伸进行一定程度的承受。对纤维增强胶接层板来说，木板和纤维增强层板之间的应变匹配是其制造的关键。在接层板表面中，纤维增强复合材料具有很好的性能，其采用拉挤工艺进行产品的生产和制备。其玻璃纤维和碳纤维的混杂是接层板使用的增强材料，环氧树脂体系是它的基体。因为纤维增强胶接层板的性价比较其材料来讲，都比较的优越，所以，在它的使用中，能够减少木材和重量的需求。与此同时，纤维增强胶接层板的发展在目前也是比较的快，也得到了日趋广泛的应用。

（四）复合材料棒材

在建材工业中，中碳钢增强混凝土和钢材是使用最为广泛的结构材料，如果钢材被腐蚀，就会对建筑物产生严重的影响和破坏。而碳纤维树脂基复合材料棒材的应用，就逐渐的取代了钢材的使用，成为一种高性能的新型建材品种。对于复合材料棒材而言，它不易被腐蚀，也不具有导电性，是钢材重量的1／4，与钢材相比，其热膨胀系数更加符合混凝土，但价格约比环氧涂覆保护钢材多20％。水泥和元钢的粘结强度比水泥和复合材料棒材的粘结强度约低50％。所以，复合材料棒材可以在高速公路护栏、化工厂、造纸厂、桥梁、房屋地基、海堤等易腐蚀场合中得到广泛的应用。

（五）其它方面的应用

1.帘墙板的制作，其具有良好的突出机械特性和耐老化性，是一种轻量的材料板，在海边耐腐蚀建筑和高层建筑中可以得到有效的应用。2.防水房顶涂层，在进行平坦房顶的涂覆中，可以进行碳纤维水泥混合物的采用，形成不透水和耐风化的房屋表面，且具有一定的美观效果。3.导电板和电磁屏蔽板，碳纤维具有高度的导电性能，可对来自大气的雷击和放电中的静电进行良好的消除。4.耐化学腐蚀性地板、耐磨铺地材料以及防腐蚀涂层。

二、碳纤维修补增强的技术方法

（一）Obayashi- Mitsubishi 法

Obayashi- Mitsubishi 法是日本三菱化学公司所提出的一种方法，其具体的内容为：1.采用打磨的办法进行修复表面的清理；2.打底漆；3.底涂层涂刷；4.碳纤维复合材料片的铺设；5.刷面涂层；6.表面的加工和涂漆。

（二）SIKA法

操作方法：1.表面的清理，进行损坏水泥残块的去除、表面的平整、裂纹的填补以及喷沙的清理；2.表面进行清理之后进行Sikadur粘结剂的涂覆；3.进行表面残留尘渣的去除；4.在水泥表面进行环氧树脂的涂覆，水泥表面与Cabodur条无需进行捆扎。

（三）Mbrace法

操作方法：表面杂物的清理，并打腻子和涂Mbrace底漆；2.切割Mbrace片；3.在修复后的水泥表面进行Mbrace浸渍剂的喷涂和碳纤维复合材料片材的压实；4.30分钟后进行第二种浸渍涂层的喷涂。

三、碳纤维在美国的研究和推广

美国就碳纤维材料在土木建筑的应用中，拥有一系列的应用计划，如桥梁结构计划和研究的创新、桥梁的聚合物基复合材料补强计划等。依据这些计划，美国在3000项土木建筑中，都进行了碳纤维复合材料的应用，来进行建筑的补强修复。在美国的加里福尼亚州中，运输部门进行了550万美元的投入，进行了外套法的应用，来增强桥墩，提高建筑桥梁的抗震能力，并使建筑的使用寿命得到了一定的延长。美国联邦高速公路局在1998年，进行了一项桥梁结构和研究的创新计划的起动，对碳纤维复合材料在桥梁的建设和维修中的应用进行了大量的资助，使这一项新的技术得到了很大的推广，并降低了施工的成本投资以及延长路建筑的使用寿命。从1998年到2001年，在51项桥梁建筑的工程中，进行了玻纤复合材料对原有桥面的取代，此外还有5项纤维增强粘结层压板的应用、16项碳纤维增强复合材料梁的使用、29项碳纤维在桥梁塑料中的维修增强等项目。在2003年，该计划项目得到了2100万美元的资助，促进了碳纤维复合材料在土木建筑中的推广和研究。

结束语

总而言之，在土木建筑领域中，碳纤维还是一个比较新型的技术。在得到广泛的应用之前，它的产量少、价格高，在使用中也有一定的难度，但随着碳纤维在近年来的发展，其应用越来越广泛，在不断的使用中，成本也得到了一定的下降。总的来所，碳纤维的应用，对建筑的轻量化和防腐性方面，都有着很好的促进效果，也使纤维的应用领域得到了较好的拓展。

参考文献：

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