CFRC的性能及工程应用

CFRC的性能及工程应用碳纤维混凝土(carbonfiberreinforcedconcrete)，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。1结构性能及其应用1.1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%。1.2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，主要制成各种假山、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CFRC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非结构性能的应用2.1钢筋的阴极保护在钢筋混凝土结构的抗腐蚀方法中，阴极保护是最常见而且是最有效的一种方法。其原理就是使带负电的电子在电压的作用下向钢筋的负极移动，使钢筋成为阴极“。由于钢筋是埋在混凝土中的，所以电子必须穿过不带电的混凝土才能到达钢筋处。普通混凝土是电的不良导体，而碳纤维的加入增加了结构的导电性能，因此埋在碳纤维混凝土中的钢筋就可以受到阴极保护。为了引导电子进入混凝土中，混凝土表面还需要电极。现在的一种方法就是采用将金属锌热喷在混凝土的表面成为涂层。它的电阻率比较低，但缺点是抗腐蚀能力差、易氧化，而且热膨胀系数大，成本高。当混凝土结构的表面用碳纤维增强的水泥砂浆作为防护层时，则大大降低了成本，使钢筋的阴极保护成为可能。由于掺加了碳纤维的混凝土的导电性能大大增强，相对于素混凝土，钢筋阴极保护所需要的电压可以降低18%，质量含量为1.1%的碳纤维的覆盖层相对素混凝土砂浆可以降低电压10%l11o2.2应力应变损伤识别目前的研究表明，将碳纤维作为导电材料均匀分散在混凝土中，不仅可以减少碳纤维水泥试件的电阻率，而且会导致电阻率的相对变化值AR/Ro随应力状态的改变而呈现规律性的变化，即具有应力敏感特性。由于碳纤维混凝土集机敏材料与结构材料与一体，故该材料是一种本征机敏材料。根据这一特性就可以进行混凝土结构的应力监测和损伤评估。图2为作者在弹性范围内测得的碳纤维含量为0.5%的试块在恒定电压(10V)下外加应力与电流相对变化(AI/I)之间的关系。从图中可以看出，在每个加载周期，电流随着应力的增加而增加，即混凝土的电阻随着应力的增加而减小;卸载时混凝土的电流随之减小，即电阻随之增加。在第一个加载周期中，电流的相对变化率峰值为8%。虽然在随后的周期中这个峰值不断减小，但是电流变化与应力的对应关系还是很明显的。而且峰值的减小正好是试件在应力作用下微观变化的反映。说明卸载后试件变得更加密实。从而使电阻卸载后有一定程度的增加。以上是弹性范围内的关系，如果碳纤维混凝土从加载到破坏全过程中应力一电阻的关系得到成熟的界定，就可通过电阻的变化判断混凝土处于安全、损伤、破坏三个工作阶段的那一段。通过测试碳纤维混凝土电阻的变化并与计算机相连，可直接反映其结构部分混凝土的工作状态，实现结构工作的在线监测，当结构的应力接近损伤或破坏区时可自动报警.这就是具有自诊断功能的碳纤维混凝土。可用于大坝，桥梁及重要的建筑结构，实现结构的在线监测，也可用于高速公路中车辆的速度监控及重量称量以取代高速公路中的称重站.。2.3温度自监测碳纤维混凝土除了具有压敏特性外，还具有温敏特性。研究发现.，碳纤维水泥砂浆试件在两表面受温差作用时，两端会产生温差电动势。这一现象称为Seeback效应。实验结果表明，不论温差At大小，电动势E与/Xt之间均呈线性关系。利用Seeback效应，可以对结构进行强度诊断，确定其温度分布特征。基于Seeback效应，能够设计温度自适应控制体系。碳纤维混凝土的温敏特性可以使其方便的实时监测建筑物内部和周围环境温度变化，可极大的促进智能化建筑的发展;可以对混凝土结构的温度及其应力进行实时诊断。图3为碳纤维混凝土温度自诊断自适应试验系统。当此系统启动时，执行器的温度由输出的电压信号经转换器输入到单片机进行信息处理。并判断是否达到控制温度。再由此自适应决定是启动还是关闭碳纤维混凝土执行器两端的电源。在国外。碳纤维混凝土的温敏特性已被应用于机场道路及桥梁路面的融雪化冰上，取得了很好的效果。2.4电磁屏蔽无线电通讯与电子设备器材的广泛应用带来了电磁波污染和电磁信号泄漏失密的危险。普通混凝土对高频电磁波具有一定的屏蔽功能，屏蔽原理主要是反射和吸收作用，但是屏蔽效果不佳。只有给其添加电磁损耗物质后才具有较高的屏蔽功能。CFRC的电磁屏蔽性能在实际工程中有很好的应用前景。①做成地板砖可以防止静电积累;②在混凝土中加入体积含量为3%的具有电磁损耗作用的碳纤维后，混凝土兼具防护电磁污染和防护室内电磁信号泄漏失密的双重功效，其防护原理如图所示。其中E1为入射电磁波的强度.E2为电磁波穿出屏蔽体的强度。R1为电磁波在混凝土A面的反射场的强度，R2为电磁波在混凝土B面的反射强度，T为电磁波在屏蔽体内的透射强度。从图中可以看出，电磁波能量的损耗主要是混凝土内部的透射损失。