关于碳纤维混凝土

【导读】 碳纤维混凝土(carbon fiber reinforced concrete)，是一种集多种功能与结构性能为一体的复合材料，简称CFRC。主要由普通混凝土添加少量一定形状碳纤维和超细添加剂(分散剂、消泡剂、早强剂等)组成。和普通混凝土相比，它不仅具有较好的力学性能，而且还具备很多优良特性。 碳纤维 是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好的优点，但由于碳纤维价格昂贵，工程应用中受到很大的限制。

碳纤维混凝土是将碳纤维均勾地分散在水泥基体中，用以增加混凝土的物理力学性能的一种复合材料。碳纤维混凝土的主要特征具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。

碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防震能力和抗弯强度提高十几倍。碳纤维混凝土具有很高的抗拉性、抗弯性、抗断裂性、抗蚀性等特点。由于碳纤维的较小的膨胀系数，碳纤维混凝土的耐热性较好，温度变形也较小。

碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是 ： 阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻止宏观裂缝的发生及发展。因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时具有高基体的抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和冲击韧性。碳纤维体积分数为1.18%时，试件劈拉强度提高1.2%。，按复合规则，碳纤维的增强作应随水泥中纤维含量的增大而增加，在碳纤维的重量百分含量小于5%时，这个关系几乎是线性的，含量再增加时，碳纤维难以在基体中分散均匀，不能起到增强效果，甚至使碳纤维混凝土抗拉强度降低。此外，碳纤维混凝土还具有良好的耐腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。

单向增强混凝土和普通混凝土受弯时应力应变曲线如图1《混凝土受弯时应力和应变曲线图》所示。可以看出，相比普通混凝土，碳纤维增强混凝土不仅抗拉强度增加，而且表现出良好的韧性。这是因为纤维的拉出，需要吸收很多的能量。

图1 混凝土受弯时应力和应变曲线图

美国纽约大学的DDL.Chung等人通过大量的对比实验发现混凝土中掺加少量的碳纤维(质量百分含量为0.6%左右)，材料的抗拉强度和抗拉延性分别提高30% 和25% .当对掺人其中的硅粉和碳纤维进行表面处理(如臭氧处理，硅烷处理等)后，其强度可进一步增加。此外，掺入碳纤维后相同龄期的干缩值较普通混凝土明显降低，实验数据显示其28d的干缩值降低32%。

CFRC具有耐磨性、耐干缩性、抗渗性和抗化学腐蚀性能好等优点，用作建筑材料的涂层和路面材料是很理想的，在实际建筑中使用有相当潜力。

在建筑工程领域内，广泛应用的是短切沥青基碳纤维混凝土，主要制成各种屋面、内外墙、地面及天花板的板材，也可用于承载构件。1982年，日本鹿岛建设公司率先开发轻质CFRC复合板，建成了巴格达AI—Shaheed纪念馆，开始了工程上的首次应用，此后又有40多个大型建筑中使用CFRC用作外墙墙板和幕墙材料。他们表现出耐高温、轻质高强、面积大、接缝少、柔韧性好、抗震抗风能力强、工期短等优点。

当前，另外一种发展趋势就是PAN基碳纤维来增强水泥，性能上优于通用沥青基碳纤维。如加拿大1993年在Calgary建造了一座新的两跨度的公路桥乜)，在这座桥的桥墩部分首次采用了碳纤维复合材料代替混凝土中的钢筋。日本鹿岛和住友化工公司利用PAN基碳纤维长丝浸渍环氧树脂固化后的补强筋代替钢筋已有产品上市。

CFRC人工岩是把碳纤维搅拌在水泥中，制成的碳纤维增强混凝土，并用于造景工程。CFRC人工岩与GRC人工岩相比较，其抗盐侵蚀、抗紫外线照射能力等方面均明显优于GRC，并具耐高温、抗冻融合抗干湿变化等优点，是耐久性优异的水泥基材料，适合于沿海地域等各种自然环境的护岸、护坡。由于其可塑性强，更适用于园林假山造景、浮雕、广告牌等各种景观的再创造。

碳纤维混凝土已在以下方面得到了广泛应用 ：

(1)在混凝土中加入适量的短切碳纤维，可以提高混凝土的抗拉强度、弯曲强度和抗冲击性能，降低干缩，改善耐磨性能，提高混凝土的减震能力，改善新旧混凝土之间的粘结强度和提高砖与砂浆的粘结强度，因而在实际建筑中使用有相当潜力。利用短切碳纤维增强混凝土，可以制成各种屋面、内外墙、地面及天花板的板材等，未来的一种发展趋势是利用通长碳纤维增强混凝土作为承重构件。

(2)碳纤维能阻止混凝土构件裂缝的扩散展开，而我国高强度混凝土裂缝问题较突出，因而可研究尝试采用碳纤维来改善高强度混凝土的性能。

(3)在混凝土中掺人碳纤维可显著改善其导电性能，所以，碳纤维混凝土可在工业防静电、接地工程和钢筋阴极保护等方面发挥重要作用。

(4)在普通混凝土中填加短切碳纤维，可以显著增强混凝土的电磁屏蔽性能，因此，碳纤维屏蔽混凝土可以应用于军事和商业中，例如防止核爆炸电磁杀伤、干扰和常规电磁武器杀伤、电磁屏蔽防护、电磁信号秘密的保护等，还可以应用于民用建筑以防止电磁污染。

(5)碳纤维混凝土的力电效应与混凝土的力学行为关系密切，因而其电热效应可用于桥梁路面的融雪化冰。

(6)利用碳纤维混凝土的力电效应，可以为无损伤检测混凝土强度等提供新的方法。

(7)近年来，利用碳纤维增强材料修复补强混凝土结构的技术已日臻完善且迅速发展。例如，意大利的不少工业厂房(如双曲薄壳)、桥梁、住宅(混凝土框架)采用粘贴碳纤维增强塑料筋带进行加固效果明显，达到原有强度和刚度的性能要求;日本在桥梁、桥面板、隧道工程中也有采用碳纤维增强塑料筋片获得成功的实例;连续纤维增强塑料(FRP)补强加固技术日臻成熟，世界各国先后编制出相应的规范，我国于2003年颁布了CECS 146：2003《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》。

(8)碳纤维混凝土具有温敏性，即温度变化引起的电阻变化(温阻性)及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电性(Seebeck效应)，因此，可用于对建筑物内部和周围环境变化的实时监控;也可以实现对大体积混凝土的温度自监控，以及用于热敏元件和火警报警器等;可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。

(9)利用碳纤维混凝土的力学机敏性，通过监测碳纤维混凝土的电阻变化率，就能够掌握碳纤维混凝土结构的应力应变状态，以实现对结构物损伤的定位及损伤程度的评估，可用于大坝、桥梁及重要的建筑结构，实现对结构的实时在线监测。