在建筑业中,用复合材料取代金属已经成为一种趋势,并且在可以预见的未来可以成为一种资源节约型替代方案。碳纤维混凝土(CFRC)是一种集多种功能与结构性能为一体的复合材料,主要由普通混凝土添加少量一定形状碳纤维和添加剂组成。

和普通混凝土相比,CFRC不仅具有较好的力学性能,而且还具备很多优良特性,具体表现为抗拉强度的增加,和良好的韧性。究其本质,是因为碳纤维具有高强度,高阻燃、耐高温性,具有高拉伸模量、低电阻和电磁屏蔽效应,在航空航天、电子机械、化工医疗等工业领域中很受欢迎。下图所示单向增强碳纤维混凝土和普通混凝土受弯时应力应变曲线。

美国纽约大学通过大量实验发现混凝土掺入少量碳纤维(含量0.6%左右),复合材料的抗拉强度和抗拉延性分别提高30% 和25% ,而当对掺人其中的硅粉和碳纤维进行表面处理后,强度可进一步增加。此外,掺入碳纤维后相较同龄期的干缩值较普通混凝土明显降低。

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,是建筑材料的涂层和路面材料的理想材料,在实际建筑行业使用相当有潜力。在建筑工程领域内,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,也可用于承载结构,1982年日本鹿岛建设公司率先开发了轻质CFRC复合板,并且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。这些材料在后续使用中的显著优点有耐高温、轻质高强度、面积大、接缝少、柔韧性好、抗震抗风能力强、工期短等。

碳纤维混凝土的实际应用适用于时空应用的不同场合。碳纤维能阻止混凝土结构件裂缝的扩散展开,而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。同时,在混凝土中加入碳纤维可显著改善其导电性能,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。并且,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。碳纤维混凝土具有温敏性,因此可用于对建筑物内部和周围环境变化的实时监控和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。广而言之,碳纤维与混凝土的结合为建筑业提供了可供选择的性价比和可供参考的性能空间。随着增材制造技术在建筑领域的应用,碳纤维混凝土这种复合材料也在逐步进入国内市场,在国内市场将与传统材料和其他复合材料竞争,发挥其价值和潜力。

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