土木工程材料作业论文.docx

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引言:

成绩

《土木工程材料》

碳纤维

班级：

姓名：

学号：

中国矿业大学建筑工程学院

2009.6

碳纤维

世界上原本没有建筑，“上古穴居而野处，后世圣人易之心宫室，上栋下宇，以蔽风雨”。

秦朝建皇陵“合采金石，冶铜锢其内“；汉代未央宫”以木兰为葬，文杏为梁柱“；晋初，武帝即位，即营太庙“致荆山之木，采华山之石，铸铜柱十二”。

正是随着人们对建筑材料的开发与应用，辉煌宏大的种种建筑才成为可能。

建筑材料的性能和质量以及品种造价直接影响着建筑结构的形式。

正文：

一、碳纤维具有高强度：

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为23000-43000MPa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右，其比模量也比钢高。

材料的比强度愈高,则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料（如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料）的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维为极细纤维，其单位强度高但直径极小，藉山环氧树脂结合成一体后在纤维方向上具有高抗拉强度，初期应用于航空太空产品上，后来大量应用于钓鱼杆、网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆及高级自行车等轻量而高强度的物品上，其特性除强度外，抗腐蚀性佳，并且没有疲劳老化现象，自问世以后已有三十余年的使用经验，但在钢筋混凝土的加固上则约在十年左右。

在构造物的加固设计上，一般原则上避免两种性质差异过大的材料结合在一起，而碳纤维的强度虽然甚高，但是其弹性系数却与钢筋相差不多，由钢筋混凝土的使用经验研判，碳纤维用于钢筋混凝土的加固上下会有搭配问题，因此可以用于弥补钢筋混凝土内钢筋的抗拉不足部分。

而就如钢筋与混凝土间的握裹力一般，碳纤维需借助胶粘剂与混凝土的结合，两者之间的结合必须大于混凝土本身的抗剪强度，这种胶粘剂涂抹于平整的混凝土表面，一般称之为底层树脂，其粘度通常较低，易于渗入混凝土内与混凝土结合而成类似树脂混凝土，可以加强混凝土强度，并与碳纤维密切结合，有效传递剪力，而使碳纤维与混凝土结合成一体，达到补强的效果。

二、碳纤维的发展应用：

1850年，就有碳纤维的研制和应用，碳素灯丝就是最好的例证，此后的研究应用一直处于停滞状态，到上世纪五十年代随着工业技术的发展和军事工业的要求，碳纤维的研制和生产，相继解决了原丝的选择和高温碳化的工业生产工艺，使碳纤维应用才进入到一个新阶段。

首先是在航空航天等军事领域的应用，逐步扩展到高级民用工业，而真正用于建筑工程结构加固也就只有近十多来年的历史。

碳纤维和石墨纤维一般统称为碳纤维，含碳量都在95%以上，但碳元素只有在高温高压下才能熔融，不可能直接从碳元素制取碳纤维，理论上任何有机纤维经碳化后均可制成碳纤维，实际上目前具有工业意义的原丝仅有聚丙烯睛纤维（PAN）和中间相沥青，各国生产碳纤维主要是以聚丙烯睛纤维为原料，经过高温碳化等特殊工艺加工成极细的纤维丝（直径5-10Um）,提高单丝强度，使一定量纤维的表面积增大很多，更利于加强与树脂胶的结合。

过去制约碳纤维加固技术应用的因素之一是原丝和成品的价格，刚研制成功时每公斤的碳纤维原丝价在1000美元以上，当前已降至30美元以下；碳纤原丝产量最高的国家仍是日本和美国，而以碳纤布商品进入中国大陆市场的则有日本、法国、瑞士和台湾等地的产品，用进口原丝加工编织的国产碳纤布亦开始进入市场，市场竞争日趋激烈，价格正在逐渐下降。

碳纤维成品在土木工程中应用主要有纤维布、纤维板、棒材、型材、短纤维等，各有不同的使用范围，而当前加固工程中用量最大和最普遍的还是碳纤维布（片），碳纤维布常用的规格是200g/m2和300g/m2,厚度分别是0.111mm和0.167mm；碳纤维复合板厚度一般为1.2-1.4mm,由3-4层碳纤布经过树脂浸渍固化而成，主要用于梁、板的加固，用纤维板加固的结构，外形规整，施工简便，但原材单价较高，国内使用尚不普及。

高性能碳纤维布的最主要指标仍是其强度、弹性模量和断裂伸长.一般抗拉强度都在3500Mpa以上，弹模在230000Mpa以上，伸长率在1.4%以上，结构加固主要是利用碳纤维的高抗拉性能，广泛用于钢筋混凝土结构的梁、板、柱和构架的节点加固，也很适合用于古建筑物或砌体结构的维修加固，恢复和提高结构的承载能力和抗裂性能，国内外成功的应用实例已不胜枚举。

1995年日本板神大地震和台湾大地震后之后，碳纤维作为耐震补强材料和技术的地位得到了进一步的发展和确定。

近年来在国内不少高等院校、科研部门、和各大设计院参与到对碳纤维的应用和研究，目前国家还没有颁布正式的设计和施工规范，在建设部确定的研究项目中，已包括有“纤维增强复合材料（FRP）用于城市桥梁的加固与修补研究”、“碳纤维材料加固混凝土结构新技术”等课题，碳纤维的应用研究已得到国家的重视。

三、碳纤维在施工中应注意的事项：

构造：

对于受弯构件碳纤布是粘贴于受拉区，以补充钢筋的不足，粘于梁的两侧,以提高梁的抗剪能力，缠绕于混凝土柱外侧约束了混凝土的侧向变形，可以高柱的承载能力和柱的轴压比，缠绕于桁架的节点可使节点得到整体的加固。

碳纤布的层数可通过计算确定，考虑到各层的共同工作系数，抗疲劳的能力和避免脆性破坏，一般建议不宜超过5层；从受力性能角度，单层优于多层，窄幅优于宽幅；必要时纵向可以搭接，搭接长度不得少于100mm,要保证碳纤维端部有可靠的锚固，除满足计算要求外，还应有必要的构造措施。

粘贴：

粘结剂的性能和粘贴工艺是使被加固构件与碳纤维布共同受力的保证，要求粘结剂对被粘贴界面和碳纤布有高的粘结力和强度，抗拉、抗压、特别是粘贴抗剪强度应远高于混凝土相应的强度，粘结剂对界面和碳纤维布都要有良好的渗透性和相容性，具有抗冲击、耐疲劳、抗老化等优异性能，因此应该采用专用的粘结剂；

完善的施工工艺是加固效果的重要因素，主要的要求是：

清理、修复、整平被粘贴面，被粘贴面应干燥、防潮；采用专用的工具，涂布粘度较大的粘结剂，对碳纤布经过适度的辗压，使粘结剂充分浸渍于单丝中；消除气泡，不允许出现离壳、乱丝、邹折、扭曲的现象；完善的工艺和训练有素的工人，可以做到有效的粘贴面积在99%以上，使碳纤维的性能真正得以发挥。

四、碳纤维的缺点：

碳纤维整体上无疑是一种轻质高强性能优异的新兴建材，但也有其自身的特点或缺点，碳纤维的抗剪强度很低，延伸率小，还不到一般钢材的1/10,应力应变关系曲线近乎直线，没有塑性平台，从这个意义上，碳纤维是一种脆性材料，在设计和构造上应予注意；用于普通钢筋混凝土结构受弯构件中，受极限应变0.01的限制，实际可采用的设计强度还不到其极限强度的70%,颇有大材小用之感，或者用作预应力筋或斜拉桥的拉索，才能充分发挥碳纤维的抗拉性能，但这已是另外一个的应用领域了。

结论：

回顾建筑材料的历史，我们得知材料对建筑业的影响之大。

每一时期新出现的建筑都促进了新的结构形式并带动了建筑行业的发展，而新型材料的出现则使规模更大，结构更复杂的建筑成为可能。

我们应当对新材料的开发给予足够的重视，并充分利用新材料，这样才能更好的造福人类。

碳纤维正是这些新型材料中的一种，虽然它有一些缺点，但这遮掩不了它的长处，相信在不久的将来它将会得到广泛的应用。