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《Carbon 》

《 新 型 炭 材 料

《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
炭纤维增强混凝土
(CARBON FIBER REINFORCED CONCRETE)

  水泥作为当今主要的建筑材料,具有抗压强度高等特点,但不足之处是抗拉强度和抗弯强度差,重量大,没有成型性,为了克服这种材料的缺点,一些纤维增强水泥复合材料应运而生。
  炭纤维增强混凝土(CFRC)以其具有强度高、模量大、比重小,耐碱、对人畜无害、良好的导电性等优越性能,在复合材料领域占有重要一席,特别是它在建筑中的重要地位,越来越受到人们的关注。
  国外CFRC的研制始于20世纪70年代初,主要是用聚丙烯腈(PAN)炭纤维进行单向增强的研究,因PAN基炭纤维价格昂贵未能发展。1978年,日本吴羽化学工业公司生产了通用级沥青基炭纤维后,CFRC才得到迅速发展。

制造方法
 

短炭纤维增强混凝土的制造工艺较多,有浇注法、挤出法、压制法、压制脱水法等,通常采用这几种方法的综合。即,首先将短切炭纤维与水泥、砂、石、水等在搅拌机内进行三维乱向混合,混合后的高粘性CFRC烧注入模、注满、加压、挤压成型。由于炭纤维在CFRC中呈三维乱向分散,受纤维排列和长度的影响,其增强效果较单轴连续纤维和两维分散的短纤维低。介于连续纤维增强混凝土的大规模生产工艺还未出现,两维乱向纤维的工业生产还受到喷射方法的限制,研究者们采用了类似玻璃纤维增强混凝土的工艺,通过采用一种特制搅拌机,在一定程度上避免由于炭纤维长度引起的CFRC力学性能的降低。这种特制搅拌机没有浆叶,因为浆叶能切断炭纤维。其结构是:装料容器的下半部分由各向移动的橡胶体组成,其底部装有与电动机相联的摇动盘,当电机旋转时,橡胶体就向各个方向摇动,从而起到了拌和作用,这样既不破坏原料,又可在短时间内混匀,即可在现场浇注或制成型材。

由于CFRC的固化时间较长,因此大批量生产采用了一种"高压养生"工艺,其工艺条件是180℃,1MPa下养生5h,即可使混凝土硬化。从硬化后型材的试验数据表明,水泥混凝土中添加百分之几的炭纤维后,使混凝土在原有的耐压性能之外,又在抗弯、抗拉、延伸率和抗拉弹性模量等物理性能方面,都有成倍或数十倍的提高,并显示出惊人的韧性。加之炭纤维的化学稳定性、耐酸、耐碱、对人畜无害、导电性、吸波性等优异性能,表明其有着广阔的应用前景。

 
性能
 

(1)抗压强度。随炭纤维掺量增加,CFRC的抗压强度会下降,同时弹性模量也随炭纤维掺量增加而减少。这是因为在混合时引进了大量空气,使CFRC内的空气含量增加;(2)抗拉、抗弯强度。抗拉及抗弯强度随纤维掺量的增加而增加,CFRC的韧性提高。掺有保凝剂和减水剂的砂浆韧性明显优于不掺外加剂的,这是国为外加剂的掺入提高了纤维及水泥颗粒的分散作用,使纤维分布更均匀,从而提高了强度和韧性;(3)电阻率。炭纤维本身具有高的电导率,由于水泥本身是弱导体,炭纤维的掺入必将大大提高CFRC的导电率。当炭纤维含量超过1.0 w/%以上时,炭纤维掺量的增加对电阻率的影响可以忽略不计。在炭纤维掺量低于0.5w/%时,电阻率大幅度下降。这种低电阻的CFRC板是很好的抗静电板。

 
应用
 

炭纤维预混水泥主要在施工现场用作CFRC的主料,其本身也可作为水泥混凝土结构件的外部喷涂层,起到防止混凝土劣化的保护作用。

CFRC有多种规格,其中短切炭纤维增强的混凝土主要应用在屋面、外墙、内墙、地面、天棚等方面;长纤维增强混凝土在承重构件方面试用。

自1984年由Kajima在伊拉克首次使用后,至今已有40多座大型建筑使用CFRC外墙板。日本东京ARK holl mori-Building大楼使用了32000m2的CFRC墙板,每块尺寸为1.47m×3.76m。这些以掺量为3w/%的纤维增强的CFRC外板,共用了约187t沥青基短切炭纤维,由于其比重小、强度高,因此外墙可减轻40%的重量,同时又可使大楼钢架的重量减轻400t。在应用中,CFRC板材还表现出良好的耐久性和体积稳定性。

日本东京区建成的ARK办公大楼(37层)中,使用CFRC板作幕墙材料,每块面积4.55m2,重1.1t,外部耐火1h。在ARK幕墙上使用的轻质CFRC的比重为1.3t/m3,并且有很高的弯矩比(弯矩/强度)。使用CFRC板材要比使用轻质混凝土板(比重1.8t/m3~1.9t/m3)轻1/3。这能使标准板的幕墙重量下降到60%,抗震能力提高12%。大规格的幕墙板应用可大大缩短建筑工期。在这项ARK工程中,使用了约187t沥青基炭纤维,CFRC板采用的是压蒸养护截面喷涂。

CFRC以其优越的性能,在复合材料和建材中占有重要的地位,受到人们越来越多的关注。目前在工业发达国家,CFRC材料已在高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防震、静电屏蔽、导电以及波吸等方面,得到了日益广泛的应用。

 
李湘洲 供稿

From 新型炭材料 2000 Vol.15 No.3 P.79