碳纖維材料是一種比鋁更輕、比頭發(fā)絲更細(xì)、強(qiáng)度超過合金鋼的材料，具有抗腐蝕、耐磨和韌性等優(yōu)異特性，被認(rèn)為是目前最優(yōu)秀的建造材料之一。甚至有人提出了大膽的設(shè)想，使用碳纖維材料構(gòu)建一條從宇宙到地表的"天梯"。

太空軌道電梯

 

    碳纖維具有高剛度、高拉伸強(qiáng)度、高耐化學(xué)性、耐高溫和低熱膨脹等多種性能。因此，在土木工程中，碳纖維成為備受歡迎和廣泛使用的材料之一，有人將其稱為材料界的"超級(jí)英雄"。

 

    一、碳纖維的“纖細(xì)與廣大”

 

    碳纖維是一種重要的無機(jī)高性能纖維碳材料，在化工材料領(lǐng)域占據(jù)重要地位。它由聚丙烯腈、黏合纖維、瀝青纖維等有機(jī)纖維在高溫下碳化制得，碳含量超過95%，本質(zhì)上是碳的同素異形體。

碳纖維布近距離特寫

 

    通常情況下，碳纖維的直徑約為10微米，需要將7至8根碳纖維排列在一起才與一根頭發(fā)絲的粗細(xì)相當(dāng)。其拉伸強(qiáng)度可達(dá)到4800兆帕，是鋼材強(qiáng)度的7至9倍，但密度僅為鋼的四分之一。在高溫下，其他纖維已經(jīng)化為灰燼，而碳纖維卻完全不受影響。

 

碳纖維板

 

    事實(shí)上，看似普通的碳纖維在新材料領(lǐng)域被譽(yù)為一匹"黑馬"，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。碳纖維首個(gè)市場(chǎng)化應(yīng)用可以追溯到1972年，當(dāng)時(shí)推出了碳纖維增強(qiáng)樹脂釣魚竿。此后，碳纖維迅速應(yīng)用于高端工業(yè)制造和尖端科技領(lǐng)域。小束直徑的碳纖維主要用于國防軍工、航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)彈和休閑體育用品領(lǐng)域，而大束直徑的碳纖維主要用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。

 

    目前，碳纖維在導(dǎo)彈、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭、先進(jìn)艦船、軌道交通車輛、電動(dòng)汽車、燃料電池、電力電纜、特種管筒、公共基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備、體育休閑產(chǎn)品以及時(shí)尚生活用品等諸多領(lǐng)域都有實(shí)際和潛在的應(yīng)用。

 

預(yù)應(yīng)力碳板橋梁加固

 

    因此，盡管碳纖維外表看起來柔軟，但實(shí)際上它是一種內(nèi)部堅(jiān)硬的真正強(qiáng)大的材料，在國防軍工和民用領(lǐng)域等多個(gè)方面都是重要的材料或戰(zhàn)略物資。由于其材料特性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復(fù)雜性、應(yīng)用領(lǐng)域的重要性和市場(chǎng)規(guī)模等因素的影響，碳纖維被譽(yù)為"黑色黃金"或"材料之王"。

 

    二、碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)中應(yīng)用

 

    碳纖維在建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用方面，一種新的修復(fù)技術(shù)涉及使用外部粘結(jié)纖維增強(qiáng)塑料（FRP）層壓板。類似于鋼板粘結(jié)，F(xiàn)RP層壓板粘結(jié)技術(shù)包括使用熱固性樹脂將薄型柔性纖維板粘結(jié)到混凝土表面。這種技術(shù)可用于提高梁和板的抗剪和抗彎能力，以及增加柱的約束。該系統(tǒng)不會(huì)給結(jié)構(gòu)增加顯著的恒載，耐腐蝕性較好，并可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)安裝。

 

碳纖維板

 

    此外，碳纖維材料也常應(yīng)用于建筑的加固和維修。目前，修繕和修復(fù)建筑的趨勢(shì)強(qiáng)調(diào)了為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提供額外強(qiáng)度的必要性。對(duì)于那些面臨使用變更、退化問題或設(shè)計(jì)/施工缺陷的結(jié)構(gòu)，通常需要進(jìn)行一定程度的加固，碳纖維材料無疑是加固施工的優(yōu)選材料之一。

 

碳纖維布建筑加固

 

    三、碳纖維在預(yù)制混凝土中的應(yīng)用

 

    碳纖維在預(yù)制混凝土中的應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)較新但快速發(fā)展的領(lǐng)域。從2003年開始，碳纖維在預(yù)制混凝土中得到廣泛應(yīng)用。在北美地區(qū)，碳纖維格柵已成為常見的預(yù)制構(gòu)件材料。碳纖維格柵可用于替代鋼筋網(wǎng)，并作為混凝土墻內(nèi)外部分的機(jī)械連接。無腐蝕性的碳纖維格柵加固了墻板表面，減少了混凝土的使用量，從而減輕了重量和原材料的使用。碳纖維格柵加固的墻板比傳統(tǒng)預(yù)制板輕約40%。

 

碳纖維格柵

 

    碳纖維在房屋結(jié)構(gòu)中也有應(yīng)用。當(dāng)龍卷風(fēng)襲擊美國中西部時(shí)，傳統(tǒng)的木質(zhì)、鋼制和混凝土建筑構(gòu)件無法抵御其破壞力。對(duì)于那些正在尋找新起點(diǎn)的人們來說，新型材料可能為百年歷史的房屋提供抵御氣象災(zāi)害的能力。

 

碳纖維布古建筑加固

 

    碳纖維是纖維混凝土中鋼絲材料的優(yōu)秀替代品。用于纖維混凝土的纖維通常是低成本的纖維素或PAN基碳纖維，與鋼相比導(dǎo)熱性更低，搭配混凝土一起使用時(shí)也具有不錯(cuò)的粘結(jié)性。此解決方案適用于高負(fù)荷地板和道路。在纖維水泥中，碳纖維也可以代替石棉，碳纖維材料不會(huì)引起任何人體吸入問題。