碳纖維材料在土木建筑中的應用

碳纖維及其復合材料是伴隨著軍工事業的發展而成長起來的新型材料，屬于高新技術產品，具有高比強度，高比模量，耐高溫，耐腐蝕，耐疲勞，抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能，它既可作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料發揮作用。因此其近年來發展十分迅速，在航空、航天、汽車、環境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運動器材等眾多領域得到了廣泛的應用。
    在土木建材領域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉強度低等缺點。為了改善這些弊端，人們利用碳纖維的力學特性，用混凝土或水泥做基體制成碳纖維增強復合材料。由于碳纖維和芳綸纖維等其有強度高、模量大、比重小、耐堿腐蝕，對人畜無害等特點，在土木建筑應用中日益受到人們的青睞。目前，形成五大應用熱點。
    一、碳纖維增強混凝土。碳纖維增強混凝土指的是短纖維或長纖維增強的混凝土材料。它主要用作高層建筑的外墻墻板。碳纖維增強混凝土的主要特征為；具有普通增強型混凝土所不具備的優良機械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強堿環境下具有穩定的化學性能、持久的機械強度和尺寸的穩定性。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動阻尼特性，可吸收震動波，使防地震能力和抗彎強度提高十幾倍。短切碳纖維增強水泥所用碳纖維的長度為3、6mm，細度或寬度范圍在7～20m，抗拉強度范圍在 0.5～0.8GPa.
    二、復合材料棒材。建材工業中最廣泛使用的結構材料有鋼材和中碳鋼增強混凝土，鋼材的腐蝕會導致建筑物的災難性破壞。碳纖維樹脂基復合材料棒材便成為人們開發出替代建材用鋼材的新型高性能建材的重要品種。混凝土增強用碳纖維增強樹脂基復合材料棒材最近在美國已經商品化。復合材料棒材不腐蝕、不導電，重量是鋼材的1/4，熱膨脹系數與鋼材比較更接近混凝土，價格大約比環氧涂覆保護的鋼材貴20%左右。使用復合材料棒材增強比使用中碳元鋼增強，其彎曲強度增加。復合材斜棒材和水泥的粘結強度比元鋼和水泥的粘結強度高約50%.因此它可以在海堤、造紙廠、化工廠、高速公路護欄、房屋地基和橋梁等易腐蝕場合使用。
    三、纖維增強膠接層板。纖維增強膠接層板是在木板的一面或二面膠粘一層或二層纖維增強膠接層板，以承受拉伸或壓縮載荷。纖維增強膠接層板制造技術的關鍵是纖維增強層板和木板之問的應變匹配。纖維增強膠接層板表面的纖維增強復合材料層板具有良好的阻燃性能，一般采用拉擠工藝制備。所使用的增強材料為混雜的碳纖維和其它纖維（玻璃纖維），基體為環氧樹脂體系。由于使用纖維增強膠接層板比使用鋼桁架的天花板系統價格低8%，比使用傳統木桁架價格低25%，以及可明顯減少重量和減少木材的需求，纖維增強膠接層板目前發展很快，應用日趨廣泛。
    四、碳纖維復合材料片。碳纖維復合材料片是采用常溫固化的熱固性樹脂（通常是環氧樹脂）將定向排列的碳纖維束粘結起來制成的薄片。把這種薄片按照設計要求，貼在結構物被加固的部位，充分發揮碳纖維的高拉伸模量和高拉伸強度的作用，來修補加固鋼筋混凝土結構物。日本、美國、英國將該材料用于加固震后受損的鋼筋混凝土橋板，增強石油平臺壁及耐沖擊性能的許多工程上，獲得了突破性進展。碳纖維復合材料片具有輕質（比重是鐵的1/4～1/5），拉伸模量比鋼高 10倍以上，耐腐蝕性能優異，可以手糊，工藝性好等優點。因此，碳纖維復合材料片在修補加固已劣化的鋼筋混凝土結構物（約束裂紋發展、防止混凝土削落）和提高結構物耐力以及對用舊標準設計建成的鋼筋混凝土結構物的補強、加固應用將越來越多。
    五、其它應用。短碳纖維還可以以下幾種形式應用于土木建筑領域：
     ①制作簾墻板（非承重墻），是一種具有優良耐老化性和突出機械特性的輕量板，可應用于高層建筑和海邊耐腐蝕建筑。
     ②防水房頂涂層，將碳纖維水泥混合物用于涂覆平坦的房頂，作為耐風化和不透水的表面，且此涂層表面外觀優美。
     ③電磁屏蔽板和導電板，由于碳纖維的高導電性，可消除來自大氣的放電和雷擊的靜電。
     ④墻和防腐蝕涂層、耐磨鋪地材料、耐化學腐蝕性地板。
    碳纖維在土木建筑領域的應用還是一個新的技術。過去因碳纖維的價格高、產量少，在航空航天領域以外的應用有一定難度，但近年來碳纖維的應用越來越多，并隨產量的增加而使成本下降。與傳統方式相比，在土木建筑領域中應用碳纖維，雖然纖維強化材料的價格較高，但綜合材料成本、施工成本、使用成本，就比較相近了；在施工結果的防腐性、輕量化方面，纖維增強材料更好，這樣就拓展了高性能纖維的應用領域。