碳纖維增強水泥複合材料

水泥製品一般是指混凝土、水泥砂漿和石棉水泥。 石棉及其製品因對環境造成嚴重污染，已被逐步淘汰出建材領域，取而代之的是新一代增強纖維。傳統水泥製品的特性是抗壓強度高，拉伸強度和楊氏模量低，抗彎性能差。就綜合性能而言，碳纖維占優勢。如果在水泥混凝土中加人少量碳纖維，拉伸強度可成倍提高，抗彎強度也隨碳纖維加人量的增加而直線上升，碳纖維長絲的增強效果好，但適宜採用短切碳纖維，經打漿工序可得到碳纖維均勻分布的砂漿。同時，短切碳纖維價格低，尤其是瀝青基碳纖維，容易被建材市場接受。

基本介紹

• 中文名：碳纖維增強水泥複合材料
• 外文名：carbon fiber reinforced cement
• 主要區別：添加碳纖維
• 發明時間：20 世紀80年代初
• 特點：強度高、重量、輕熱膨脹係數小等
• 套用：海洋工程、大跨度橋樑等

背景

20世紀80年代初，日本鹿島公司在伊拉克建設仿清真寺風格的紀念碑時，首次大量使用碳纖維水泥製品。碳纖維還具有優良的耐酸、耐鹼和耐候性特性，即使是採用強鹼性水泥也不會發生腐蝕。此外，碳纖維具有電磁禁止性和導電性能，是功能建築材料和智慧型建築材料的附加特性。

性能

碳纖維增強水泥簡稱“碳纖水泥”。用碳纖維或石墨纖維摻入水泥漿而成的纖維增強水泥。具有優良的性能：(1)強度高、重量輕，強度/重量比值很大，有很高的使用價值；(2)熱膨脹係數小，當環境溫度變化時，外形變化微小；(3)耐磨損、耐腐蝕和耐水性好，能適應複雜的工作環境，壽命較長。製作時將碳纖維束鬆開，以便與水泥漿較好地握裹結合。用於精密機械的耐震部位，以及作為高強、防熱、防腐蝕材料等。

製造方法

碳纖維複合材料片材、束狀預浸料可用來增強梁、柱、板等混凝土構件，也可以用來加固、維修這些構件。這些片材、束狀預浸料的基體樹脂主要採用環氧系列產品，其特點是室溫固化，固化後的彈性模量高，約在1500~3000MPa (純樹脂固化)。屈服斷裂後的伸長在2%以上的韌性樹脂，可使CFRP片材與混凝土結構牢固地粘接在一起。同時，兩相界面存在高的剪下強度可有效傳遞載荷，而且可阻止裂紋的傳播，從而提高了複合構件的承載能力。在張力下將片材繃緊，可充分發揮碳纖維的增強作用。如果繃得不緊，固化後會形成皺褶，降低了增強作用。所以，根據被增強混凝土構件的寬度來確定CFRP片材寬度W。為了便於操作，將W₀分為L_a、L_b和L_c等組，以驅動馬達調節所需張力，使其成為單向張緊片，然後固定CFRP片材的兩端，進行張力貼補增強。在操作過程中，貼補增強體放置在橡膠袋中，密封，抽真空，進行壓力固化，可製得高性能的增強構件。

套用

碳纖維增強水泥基複合材料套用的途徑如下：

①將短碳纖維、聚丙烯腈纖維加入新混凝土中，製成高性能纖維混凝土新結構，主要用於薄殼結構、耐腐蝕結構、嘖射混凝土及道路工程等。

②將碳纖維長絲製成棒材，在新混凝士結構中替代鋼筋或預製成為鋼筋，用於新建混凝土結構，主要用於海洋工程、大跨度橋樑及需電磁透過的工程結構。或將棒材用於結構加固，國外這樣的工程實例已較多。

③將碳纖維加工成束狀或繩狀，用於大跨度橋樑的拉索或大跨度空間結構的懸索、拉索等。

④將碳纖維棒材與混凝土一起製成預製混凝土梁板、屋架，或用纖維棒製作網架等,這些新結構具有質量輕、強度高和耐腐蝕等優點。

⑤將短碳纖維或連續纖維用於各種公路路面及橋樑路面工程，以提高公路的質量及耐久性。

⑥將碳纖維、聚丙烯腈纖維製成編織物，用於結構加固補強。例如碳纖維、聚丙烯腈及聚丙烯纖維增強混凝土,高性能連續纖維布及其他型、片材增強混凝土。