碳纖維--是由有機母纖維(例如粘膠絲、聚丙烯腈或瀝青)用高溫分解法在1000~3000度高溫的惰氣下制成的。其結果是除碳以外的有元素都予以去除。
碳纖維還是種力學能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復合材料抗拉強度般都在3500Mpa以,是鋼的7~9倍,抗拉彈模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以,而3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高,則構件自重愈小,比模量愈高,則構件的剛度愈大,從這個意義已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景,綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優異能, 不少預料,類在材料應用正從鋼鐵時代進入到個復合材料廣泛應用的時代。
碳纖維研制和應用可以追溯到1850年的碳素燈絲,此后的研究應用直處于停滯狀態,到世紀五十年代隨著工業技術的展和軍事工業的要求,碳纖維的研制和生產,鑫茂高新材料,粉末碳纖維加工應商,湖北鑫茂高新材料有限公司,相繼解決了原絲的選擇和高溫碳化的工業生產工氵藝,使碳纖維應用才進入到個新階段。首先是在航空航天等軍事領域的應用,逐步擴展到高級用工業,鑫茂高新材料,粉末碳纖維加工應商,湖北鑫茂高新材料有限公司,而真正用于建筑工程結構加固也就只有近十多來年的歷史。
碳纖維和石墨纖維般統稱為碳纖維,含碳量都在95%以,但碳元素只有在高溫高壓下才能熔融,不可能直接從碳元素制取碳纖維,理論任何有機纖維經碳化后均可制成碳纖維,實目前具有工業意義的原絲僅有聚丙烯腈纖維(PN)和中間相瀝青,各生產碳纖維要是以聚丙烯腈纖維為原料,經過高溫碳化等特殊工藝加工成極細的纖維絲(直徑5~10μm),提高單絲強度,使定量纖維的表面積增大很多,更利于加強與樹脂膠的結合。
過去制約碳纖維加固技術應用的因素之是原絲和成品的價格,剛研制成功時每公斤的碳纖維原絲價在1000美元以,當前已降至30美元以下;碳纖原絲產量{zg}的家仍是日本和美,而以碳纖布商品進入中大陸市場的則有日本、法、瑞士和臺灣等地的產品,用進口原絲加工編織的產碳纖布亦開始進入市場,市場競爭日趨激烈,價格正在逐漸下降。
應用:碳纖維成品在土木工程中應用要有纖維布、纖維板、棒材、型材、短纖維等,各有不同的使用范圍,而當前加固工程中用量{zd0}和最普遍的還是碳纖維布(片),碳纖維布常用的規格是200g/m2和300g/m2,厚度分別是0.111mm和0.167mm;碳纖維復合板厚度般為1.2~1.4mm,由3~4層碳纖布經過樹脂浸漬固化而成,要用于梁、板的加固,用纖維板加固的結構,外規整,施工簡便,但原材單價較高,內使用尚不普及。
高能碳纖維布的最要指標仍是其強度、彈模量和斷裂伸長.般抗拉強度都在3500 Mpa 以,彈模在230000 Mpa 以, 伸長率在1.4%以,結構加固要是利用碳纖維的高抗拉能,廣泛用于鋼筋混凝土結構的梁、板、柱和構架的節點加固,也很適合用于古建筑物或砌結構的維修加固,恢復和提高結構的承載能力和抗裂能,內外成功的應用實例已不勝枚舉。1995年日本板神大地震和臺灣大地震后之后,碳纖維作為耐震補強材料和技術的地位得到了進步的展和確定。
近年來在內不少高等校、科研部門、和各大設計參與到對碳纖維的應用和研究,目前家還沒有頒布正式的設計和施工規范,在建設部確定的研究項目中,已包括有“纖維增強復合材料(FRP)用于城市橋梁的加固與修補研究”、“碳纖維材料加固混凝土結構新技術”等課題,碳纖維的應用研究已得到家的重視。
構造: 對于受彎構件碳纖布是粘貼于受拉區,以補充鋼筋的不足,粘于梁的兩側,以提高梁的抗剪能力,纏繞于混凝土柱外側約束了混凝土的側向變,可以高柱的承載能力和柱的軸爿壓比,纏繞于桁架的節點可使節點得到整的加固。碳纖布的層數可通過計算確定,慮到各層的共同工作系數,抗疲勞的能力和避免脆破壞,般建議不宜超過5層;從受力能角度,單層優于多層,窄幅優于寬幅;必要時縱向可以搭接,搭接長度不得少于100mm,要保證碳纖維端部有可靠的錨固,除滿足計算要求外,還應有必要的構造措施。
粘貼:粘結劑的能和粘貼工藝是使被加固構件與碳纖維布共同受力的保證,要求粘結劑對被粘貼界面和碳纖布有高的粘結力和強度,抗拉、抗壓、特別是粘貼抗剪強度應遠高于混凝土相應的強度,粘結劑對界面和碳纖維布都要有良好的滲和相容,具有抗沖擊、耐疲勞、抗老化等優異能,因此應該用專用的粘結劑;
完善的施工工藝是加固效果的重要因素,要的要求是:清理、修復、整平被粘貼面,被粘貼面應干燥、防潮;用專用的工具,涂布粘度較大的粘結劑。
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