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1、加固混凝土结构用碳纤维板材的研制及应用杨小平，王成忠，张剑+北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心北京，100029冶金工业部建筑研究总院，北京，1 00088蕾蔓：介绍了碳纤维增强树膳基拉挤板材厦其厥材料的结构殛性能，硪纤维板材突出的力学性能和优良的耐腐蚀性能将成为建筑加固领域的换代产品随着碳纤堆价格的下降和碟纤雄补强扳材的国产化，该材幸il将太规梗应用千建筑领域关键词：碳纤维CFRP，加固修复1前言土木结构建筑尤其是桥梁在长期使用过程中由于大气、酸雨的侵蚀以及水流冲刷，存在严重腐蚀现象，影响到安全使用。对钢结构防腐一般采用涂装防腐涂料，对土木结构必须进行加固，一般采用外贴钢板加固，但该方法
2、存在许多不足之处，如钢板剥离、生锈等耐久性问题I”。早在25年前欧洲就开始对纤维增强聚合物(FRP)板加固混凝土结构建筑进行了广泛研究。最初采用玻璃纤维增强聚酯树腊板，但存在强度低、不耐碱腐蚀等问题，高性能纤维(如碳纤维、芳纶纤维)树脂基复合材料由于其性能优良，己进行了广泛的研究并在建筑工程加固领域初步应用口J。碳纤维增强聚台物(CFRP)复合材料具有强度高、徐变小、弹性模量适中、耐腐蚀、质轻、抗疲劳性优异等优点，已用于建筑结构补强、抗震加固等方面。碳纤维布材已有大量的研究-应gl实例，其技术比较成熟p棚：我国对碳纤维增强热固性树脂板材的研究还较少】。碳纤维板材的成型工艺是将碳纤维浸渍树脂后在
3、模具内固化并连续拉挤成型，制品能充分发挥碳纤维的强度和弹性模量在建筑施工时可免除碳纤维布材的固化阶段，利用效率高，施工方便，有着广阔的应用前景。碳纤维板材的拉伸强度主要由碳纤维来承担，耐腐蚀性则取决于基体树脂，抗疲劳、抗冲击等性能主要受到纤维与基体树脂的界面结合性的影响，所以，材料的选取以及加工工艺都会影响到碳纤维扳的使用性能。2原材料21碳纤维的结构与性能碳纤维是先进复合材料最常用也是最重要的增强体，是由不完全石墨结晶沿纤维轴向排列的一种多晶的新型无机非金属材料，化学组成中碳含量高达95以上，具有低密度、高一70强高模、耐高温、抗化学腐蚀，导电导热、热膨胀低耐摩擦、透射x射线、屏蔽电磁波等特
4、点”。用于结构材料的碳纤维主要有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和沥青基碳纤维，其中PAN基碳纤维主要用于增强聚合物使用。目前市售通用级PAN基碳纤维如T300及大丝束碳纤维的拉伸强度可达35Gpa以上，可完全满足建筑结构补强的要求。碳纤维的化学性能稳定，除在高浓度硝酸中略有腐蚀外，可抗普通酸碱盐及其他化学介质侵蚀。表l是碳纤维在介质中的腐蚀情况。表1碳纤维在酸碱介质中的耐腐蚀性17】22基体树脂用于碳纤维板材的热同性树脂有不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂及环氧树脂，其中不饱和聚酯树腊加工性能好，但强度较低、耐腐蚀性差一般用于普通民用产品。环氧树脂因其强度高、粘结性好、抗腐蚀等优点，已广泛应用在腐蚀性的
5、化工工程方面普通环氧树脂固化速度慢，固化后脆性太，较少用于拉挤成型目前世界上只有少数几家公司能生产拉挤型高性能环氧树脂。近几年发展起来耐乙烯基酯树脂是由环氧树脂和含双键的不饱和一元羧酸加成聚合的产物，其工艺性能和不饱和聚醣树脂相似，化学结构和环氧树脂相近，结合了环氧树脂和不饱和聚酯树脂的优点，具有优良的力学性能、高耐热性、耐腐蚀性以及快速固化等特点，已广泛应用于耐腐蚀玻璃钢制品及化工耐腐蚀工程州。具有代表性的双酚A型环氧乙烯基酯树脂的结构特点如图1所示。乙烯基酯树脂的固化是透过过氧化物分解产生的自由基引发聚合，在树脂的两端交联-这意味着分子链的整个长度在应力下是可以伸长的。因而可以吸收力或热的
6、冲击，其制品在使用过程中极耐微裂或开裂。由于乙烯基酯树脂的特点可以用来制备高性能碳纤维，树腊基复合材料，适用于建筑工程、油井、海洋平台等腐蚀性环境一71图1乙烯基酯树脂的结构特性(n-t-3)3碳纤维，树脂拉挤板材的结构与性能碳纤维浸溃树脂后在模具内连续固化成型，形成连续的单向纤维复合材料，其中碳纤维的体积含量在65以上，纤维整齐密集捧列材料断口的电镜照片如图2。碳纤维和树脂形成良好的界面，能充分发挥每一根碳纤维的强度和弹性模量，在材料受力时使碳纤维均匀承担应力可避免碳纤维布材在旖工时由于人为原因造成的应力集中现象图2碳纤维拉挤板材的拉伸断面SEM图碳纤维板材主要力学性能如表2所示。通用级T3
7、00碳纤维树脂基拉挤板材的拉伸强度在2100MPa左右，已可完全满足建筑补强的要求对于强度要求较高的环境-采用T70072或更高性能的碳纤维可大大增加安全系数。技术指标 T300碳纤维 T700碳纤维静态力学 拉伸强度(MPa) 2100 2800性能 拉伸模量(Gpa) 165 165伸长率(呦 1401_50 160-170弯曲强度(MPa) 1200 1350弯曲模量(Gpa) 125 125层间剪切强度(MPa) 85(环氧树脂) 85(环氧树脂)70(乙烯基酯树脂) 70(乙烯基酯树腊)疲劳性能 加载应力，应力比 650伊a0375 650h册，a0375频率，疲劳次数 87Hz，1
8、000万次 87Hz，1000万次强度保留率(呦 90 90特别值得提出的是碳纤维板材优良的抗疲劳性能。由于碳纤维板材是预先浸浈树脂固化成型，在高温高压的模具内反应固化，能使树脂与碳纤维形成良好的界面粘结，避免了诸如碳纤维布在手糊常温固化中产生的气泡等缺陷，所以在长期的动态疲劳后仍能保持高的强度，是震动场台如铁路公路桥梁建筑的理想材料。4碳纤维板材在桥粱、建筑中的应用碳纤维板材的密度很小，只有169cm3，是钢材密度的五分之一几乎不增加建筑结构的载荷，而其抗拉强度是钢的兰倍以上，而且其耐腐蚀性自优良国外已有产品应用于建筑修复、桥梁防腐加固等方面口m图3碳纤维扳材的形貌碳纤维板材的厚度为08。1
9、4mm，宽度在50ram以上，长度可报据实际情况而定，有一73较高的韧性，可以盘卷能以较大长度供应而无须搭接(见图3)，能施加预应力，可用于粱、柱、墙体、楼板的抗拉、抗弯、抗剪加固由于其质轻、高强、施工方便快捷，且耐腐蚀性好，大有取代粘钢加固的趋势，尤其在既有桥梁加固方面，越来越多的专家更倾向于使用碳纤维板材。表3是碳纤维板材加固与粘钢加固技术的比较。表3碳纤维板材加周与粘钢技术比较【71比较项目 碳纤维板加固 粘钢加固加固应用范围 构件的抗弯、抗拉加固，砌体结构加固 静力状态下混凝土构件的抗弯、抗拉加固加固的协调性 能与基材紧密连接，抗撕裂性好，协调 钢板整体刚性过强，抗撕裂性性好 差，与构
10、件协调性差长度和搭接 长度不限，搭接方便。易于交叉 长度有限制，搭接麻烦，不得交叉使用自重 极轻，几乎不增加结构载荷 重，对结构有影响施工操作性 操作简易，施工周期短 操作不方便旖工周期长性价比 性价比高，且低端产品综合成本已低于 随人工成本的增加，竞争力在粘钢 下降碳纤维板材除应用在建筑修复、桥梁加固等方面外用同样成型工艺制备的混凝土预应力筋、桥梁斜拉索等制品己在国外得到初步应用。目前制约碳纤维板材在建筑行业普遍应用的主要原因是价格过高，碳纤维补强扳材主要依靠进口价格十分昂贵，但随着现在通用级碳纤维价格的逐步下降和实现碳纤维板材的国产化，将大大降低成本，使碳纤维复合材料在新型建材、混凝土结构
11、补强等工业、建筑领域大规模应用成为现实参考文献：1姜辉周履碳纤维加劲塑料在桥梁工程中的应用桥粱建设1999(3)：632顾履恭混凝土结构用纤维增强聚合物在国外的开发和应用，糟工技术200153 张佐光建筑物加固修复用复合材抖技术复台材料学报，2001，18(I)：74张风露混凝土结构加周鳝补用复合材料的选材和使用中国苜届纤维增强塑料摁凝土结构学术交流会论文集20006岳蒲瑞我国碳纤维(cFRP)加固售复技术研究应用现状及展望工业建筑t 2000，30(10)：23吴人洁复合材料天津大学出版杜200012加固行：碳纤维结构加固技术手册张以康环氧乙烯基酶树脂在复合材料工业中的应用t玻璃锶，复台材科
12、一14加固混凝土结构用碳纤维板材的研制及应用作者： 杨小平， 王成忠， 张剑作者单位： 杨小平,王成忠(北京化工大学国家碳纤维工程技术研究中心(北京)， 张剑(冶金工业部建筑研究总院(北京)相似文献(1条)1.期刊论文 乌杨汉阙加固与修复工程 -西安建筑科技大学学报（自然科学版）2005,37(4)以重庆中国三峡博物馆乌杨汉阙加固工程为背景,在现场试验的基础上探讨了采用现代植筋加固技术、碳纤维板材补强技术、裂缝闭合修复技术以及石材表面防风化处理等综合处理技术对石质汉阙进行加固与修复的途径,取得了较为理想的效果,保证了乌杨汉阙无恙的复原,重现了汉代石阙的历史神韵,具有重要的文化价值和历史意义.开创了我国石质结构加固的新思路,为我国石质结构的保护加固积累了极其宝贵的经验.本文链接：http:/
