碳纤维混凝土_百度百科
碳纤维混凝土
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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、去泡剂、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。
碳纤维混凝土概述
20世纪70年代，英国首先制作了聚丙烯腈基（PAN）碳素纤维增强水泥基材料的板材，并应用于建筑，开创了CFRC研究和应用的先例。
在所有元素中，碳元素在构成不同结构的能力方面似乎是独一无二的。这使碳纤维具有极高的强度，高阻燃，耐高温，具有非常高的拉伸模量，与金属接触电阻低和良好的电磁屏蔽效应，故能制成智能材料，在航空、航天、电子、机械、化工、医学材料、体育娱乐用品等工业领域中广泛运用。[1]
碳纤维混凝土CFRC结构性能
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。
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，掺人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%。[2]
图1 混凝土受弯时应力和应变曲线图
碳纤维混凝土结构性能的利用
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，目前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。[2]
碳纤维混凝土碳纤维混凝土人工岩
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。 [1]
碳纤维混凝土碳纤维混凝土运用领域
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。目前，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，而目前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。[3]
．中国假山网[引用日期]
．中国假山网[引用日期]
．中国假山网[引用日期]
企业信用信息碳纤维复合材料结构设计
结构设计是碳纤维复合材料设计的关键，要提高碳纤维复合材料性能就必须千方百计地提高其比强度和比刚度。提高这两者性能主要有两个途径，一是合理地选择材料和制造工艺；一是合理地承载。对后一方面更多依赖于设计人员的水平和才智。怎样在保证安全可靠的前提下，设计出更轻的合理复合材料受力结构，是结构设计人员的职责。
由单向板铺叠固化而成的层压结构是目前复合材料的主要形式，单向板呈现强烈的正交异性（沿纤维方向的纤维和垂直于纤维方向的性能差别很大），可以在不同的方向铺设不同比例的单向板，以满足结构平面内所需方向性能的要求。设计出的复合材料可以是各向同性，也可以是各向异性，可以是对称平衡，也可以是非对称平衡。这给了设计人员更为自由的设计空间，使设计人员实现过去用各向同性的金属材料无法实现的梦想。利用碳纤维复合材料的低密度进行等价设计实现减重目标，是早期的复合材料结构设计方法，远远不能发挥复合材料的优势。当然各向异性也给结构设计、分析和制造增加了困难。
复合材料结构设计分为相互关联的两个层次，即复合材料设计（相当于材料设计）和结构设计，前者主要是设计复合材料本身性能，例如在复合材料的强度、刚度及膨胀系数等，后者是设计制件结构的性能，例如结构的扭转刚度、稳定性和振动等。
复合材料结构设计主要通过结构选材、确定设计许用值（许用值：在一定载荷类型和环境下，主要由试样试验数据，按着规定要求统计分析后确定的，具有一定置信度和可靠性的材料性能表征值。设计许用值：为保证整个结构的完整性，根据具体工程项目要求，在材料许用值和代表结构典型试样、元件、典型结构件试验结果及设计与使用经验基础上确定的设计限制值。）、结构选型和结构细节设计、工艺筛选、质量保证以及采用验证试验等措施来实现。复合材料结构的设计步骤主要有以下几个部分。
1）结构选材除了考虑基本性能、工艺性和成本因素外，根据部件的设计要求，主要需要考虑材料体系的韧性（如冲击后压缩强度和损伤阻抗等）和最高使用温度等环境因素。
2）确定设计许用值采用所需结构件的典型铺层和厚度，通过试验确定设计许用值。重点是确定铺层层压板试样的冲击后压缩破坏应变、开孔拉伸破坏应变及连接许用值，同时应考虑湿热影响和分散性等，必要时还应该给出有关的疲劳性能和动态性能。由于通常认为复合材料结构中的缺陷是无法避免的，而且初始缺陷对结构强度有严重的影响，即使是用于静强度校核的设计许用值也必须考虑初始缺陷的影响。
3）根据结构设计要求进行结构选型和细节设计，包括外形和外部载荷等，选择适当的结构形式。必要时，要进行结构选型试验，以确定最佳的结构形式，对关键部位应该考虑抵抗外载的能力。
4）典型结构件和含结构件关键特性的组合件验证试验应该从简单到复杂，通过积木式验证试验方法，分阶段验证所选择的关键部位结构形式能满足规定的设计要求。
5）全尺寸部件的验证试验，验证结构部件是否满足结构完整要求。
如图4.1-1 是复合材料结构设计流程示意图。
图4.1 复合材料结构设计流程示意图
复合材料结构设计除满足金属结构设计要求外，还应该满足下列要求：
1）应该尽可能利用共固化、缝合或胶结等技术减少结构零件数和减少应力集中源，并尽可能设计成整体构件，以发挥复合材料的优越性。
2）应该尽可能避免使用复合材料结构承受面外载荷，特别是由于偏心或结构变形引起的二次应力而产生的面外载荷。
3）应该充分考虑制造和检测时的方便性。如果没有可靠的检测方法，在设计时必须假设存在较大的缺陷/损伤尺寸。
4）应该考虑环境对性能的影响，主要包括湿、热和使用中可能遇到的冲击载荷。
5）在整个结构设计过程中应始终贯彻低成本设计原则。
材料设计通常指选用几组材料复合支撑具有预期性能的复合材料的过程。对于层合板、层合壳一类的层合复合材料结构，铺层是结构的基本单元，铺层设计可视为材料设计；而将板和壳的设计列入到结构设计中。对于碳纤维复合材料，在选择材料组分时，不仅要选择用什么型号的碳纤维，而且要选择它的粗细，要确定配套树脂的型号等。
材料设计时主要按几个方面设计，一是按着刚度要求进行设计，就是要设计出的复合材料在刚度上满足使用要求，对于纺织类复合材料，如碳纤维布等，由组分材料性能、体积比得到复合材料性能的解析解是困难的。而对于单向纤维增强的单向板来说，其设计方法就相对简单；二是按强度要求进行设计，与按着刚度要求进行设计类似，使用已知性能材料制造具有所需强度复合材料的工作，首先应确定强度是否在复合材料所能达到的范围之内。这个范围就是对纤维与基体材料强度的要求范围。但是由于强度问题很复杂，例如，复合材料的强度与组分材料的基本性能、细微观结构、俗尚机理及演化形式、失效模式、加载途径等因素有关，因而这一领域的研究进展十分缓慢。从组分材料特性与细微观结构参数计算单向板强度的理论，目前仅限于纤维方向的抗拉与抗压强度。
层合板设计的任务就是根据单向板的性能确定层合板中铺层的取向，各铺层的铺设次序，个定向铺层相对于总层合数的百分比和总层数等。由于层合板力学行为的复杂性，目前层合板一般都设计成对称层合板，且是铺设方向均衡的对称层合板。又鉴于铺设方向过多所带来的复杂性，一般铺层的铺设方向限于选择0 度,90 度，和正负45 度方向。若要设计成准各向同性层合板，可采用[0/60/120]s 或[0/45/-45/90]s层合板。
铺层的铺设方向一般依据层合板所承受的载荷来确定。通常，0度的铺层来承受轴向载荷，正负45度铺层承受剪切载荷，90度铺层承受横向载荷和控制泊松比，如表4.1 所示。
表4.1 铺层铺设方向的确定碳纤维布_百度百科
碳纤维布又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、碳纤维片材（预浸布）等 。碳纤维加固布是一种单向碳纤维加固产品，通常采用12K碳纤维丝织造。[1]
可提供两种厚度：0.111mm（200g）和0.167mm（300g）。多种宽度：100mm、150mm、200mm、300mm、500mm及其他工程所需的特殊宽度。随着碳纤维布行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到了碳纤维布，也有部门企业进入到了碳纤维布行业并发展。碳纤维布用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固，该材料与配套浸渍胶共同使用成为碳纤维复合材料，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系，适用于处理建筑物使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值、结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护的加固工程。
碳纤维布产品特点
强度高，密度小，厚度薄，基本不增加加固构件自重及截面尺寸。适用面广，广泛适用于建筑物桥梁隧道等各种结构类型、结构形状的加固修复和抗震加固及节点的结构加固。施工便捷，无需大型机具设备，没有湿作业，无需动火，无需现场固定设施，施工占用场地少，施工工效高。高耐久性，由于不会生锈，非常适合高酸、碱、盐及大气腐蚀环境中使用。
高性能碳纤维布
适用于各种结构类型，各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构。适用于港口工程和水利水电等工程中混凝土结构、砌体结构、木结构的补强和抗震加固，特别适合于曲面及节点等复杂形式的结构加固。基层的强度要求不低于C15。施工环境温度在5～35℃范围内，相对湿度不大于70%。
碳纤维布工艺原理
碳纤维布加固原理是：采用高性能的碳纤维配套树脂浸渍胶粘结于混凝土构件的表面，利用碳纤维材料良好的抗拉强度，达到增强构件承载能力及强度的目的。
楼板粘贴碳纤维布
碳纤维布技术指标
中国国内最早的规范是2003年《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，其编号为CECS146：2003，已经被最新的国家标准规范《混凝土结构加固设计规范》替代，其编号为GB.
碳布碳纤维原料力学指标性能项目纤维类别抗拉强度 （Mpa）弹性模量 （Mpa）伸长率 （%）碳纤维丝
≥2.4X10^5
高强度II级
≥2.1X10^5
碳纤维布力学性能指标产品型号强度级别克重 (g/㎡)理论厚度 (mm)抗拉强度 (MPa)弹性模量 （GPa）伸长率 （%）SHBⅠ-200
碳纤维布产品分类
按碳纤维原丝
1、PAN基碳纤维布(市场上90%以上为该种碳纤维布)
2、黏胶基碳纤维布
3、沥青基碳纤维布
按碳纤维规格分
1、1K碳纤维布
2、3K碳纤维布
3、6K碳纤维布
4、12K碳纤维布
5、24K及以上大丝束碳纤维布
按碳纤维炭化分
1、石墨化碳纤维布，可以耐度高温
2、碳纤维布，可以耐1000度左右高温
3、预氧化碳纤维布，可以耐200--300度高温
按织造方式分
1、机织碳纤维布，主要有：平纹布，斜纹布，缎纹布，等
2、针织碳纤维布，主要有：经编布，纬编布，圆机布(套管)，横机布(罗纹布)等
3、编织碳纤维布，主要有：套管，盘根，编织带，二维布，三维布，立体编织布等
4、，主要有：干法预浸布，湿法预浸布，单向预浸布，预浸带，无托布，有托布等
5、碳纤维无纺布，非织造布，即碳纤维毡，碳毡，包括短切毡，连续毡，表面毡，针刺毡，缝合毡等。
碳纤维布质量辨别
第一要质量过关，有好多厂家用玄武岩纤维，芳纶纤维染上黑色来冒充碳纤维布，会造成工程质量的不合格，所以要首先学会辨认碳纤维，简单的说好的碳纤维丝束比较黑亮，用火烧一下，不会卷曲，会象细铁丝一样发红，用手摸平滑，柔光，丝束均匀，导电性能好。
高性能碳纤维布
第二，就是碳纤维的粘贴质量，有《碳纤维施工验收规范》做工程的和甲方可以向施工方借阅。保证粘贴质量的合格。
第三，碳纤维是抗拉的，它的抗拉强度很大，抗折，抗弯效果差，就像上面说的一弯既折。
第四，碳纤维粘贴后应该用防腐砂浆进行隐蔽，长时间晾晒会影响碳纤维布的使用寿命。
碳纤维布主要用途
一、应用领域：
1） 宇航：机身、方向舵、火箭的发动机壳、导弹散流器、太阳能电池板等。
2） 体育器材：汽车部件、摩托车零件、钓鱼杆、棒球棍、滑雪橇、快艇、羽毛球拍等。
3） 工业：发动机部件、风机叶片、传动轴、以及电器零部件等。
4） 消防：适用于部队、消防、钢厂等特殊类高档的防火服制作。
5） 建筑：建筑物使用荷载增加、工程使用功能改变、材料老化、混凝土强度等级低于设计值
结构裂缝处理、恶劣环境服役构件修缮、防护；执行标准GB建筑结构加固工程施工质量验收规范，防火等级：A级-不燃，执行标准GB，德国标准DIN4102 A1级，土木建筑，桥梁、隧道、混凝土结构抗震、加固、补强材料:碳纤维布用于结构构件的抗拉、抗剪和抗震加固，该材料与配套胶粘剂共同使用，可构成完整的性能卓越的同固碳纤维布材增强体系。该体系适用于梁、 柱、板、隧道、圆形、弧等。
二、应用性能：
1） 漏放钢筋加固
2） 梁、柱断裂加固
3） 加层抗震加固
4） 高架、桥梁维修加固
5） 剪力墙开门加固
6） 阳台根部断裂加固
A 自重轻，能在狭小的空间操作，施工过程不受影响
B 使用强度高，能灵活的用于抗弯、抗剪和抗压的工程结构中
C 具有优良柔韧性，能包裹复杂的外形构件
D 满足各种构件表面（桥梁、隧洞、板、梁、柱、通风桶、管道、墙体等） 的抗碱抗化学腐蚀要求
E 可对织物进行重复利用，覆盖平整；对装修影响小，贮存寿命长；容许操 作期限长，在操作前、操作中和操作后都允许环境存在一定的差异
F 抗高温、抗蠕变、耐磨损、抗震性能良好
碳纤维布施工方法
常用的加固方法有很多，如：加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。
碳纤维布加固施工要点：卸荷→基底处理→找平→底涂胶→粘贴→保护。
拟定施工方案和施工计划，应对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等作好施工前的准备工作。
混凝土表面处理
清除被加固构件表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，露出混凝土结构层，并用修复材料将表面修复平整。按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。
配制并涂刷底层树脂
按供应商提供的工艺规定配制底层树脂，将底层树脂均匀涂抹于混凝土表面。在树脂表面指触于燥后立即进行下一步工序施工。配制找平材料并对不平整处修复对混凝土表面凹陷部位用找平材料填补平整，转角处应用找平材料修复为光滑的圆弧。
粘贴碳布/芳纶布
①按设计要求的尺寸裁剪碳布/芳纶布；②配制浸渍树脂并均匀涂抹于所要粘贴构件；③沿着纤维方向多次滚压，挤除气泡，使浸渍树脂充分浸透碳布/芳纶布；④碳布/芳纶布的表面均匀涂抹浸渍树脂。
按有关规范的规定处理，并保证防护材料与碳布/芳纶布之间有可靠的粘结。
1、碳布为导电材料，施工时应远离电气设备及电源，或采取可靠的防护措施。
2、施工过程中应避免碳布的弯折。
3、碳纤维布配套树脂应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
4、树脂的配制和使用场所，应保持通风良好。
5、现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。
碳纤维布可分为300克、200克两种，幅宽和特殊规格也可定制。
纸箱包装。
碳纤维布发展前景
碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于80年代美、日等发达国家。
中国的这项技术起步很晚，但随着中国经济建设和交通事业的飞速发展，现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些建筑由于使用功能的改变，难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。
碳纤维布应用示例
地震之后，碳纤维布在土木建筑，桥梁、隧道、混凝土结构抗震、修复、加固、补强方面的应用得到大力推广，发展迅速，该系列的国产碳纤维布已经可以替代进口高价的碳纤维布，但由于各企业织造方法的不同，在外观和性能上还有一些差距，有待改进。[2]
日，河南郑州，二马路跨正兴街的马路桥因桥体存在安全隐患，贴满了碳纤维布来加固桥梁，数百条“补丁”错综复杂贴于桥底顶部。[3]
．新华网[引用日期]
谭毅文．《碳纤维布发展历史》．福建：东南大学出版社，2014年
．网易新闻[引用日期]
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