1、碳纤维在建筑工程中的应用：第一组：何迎第一组：何迎王艳王艳王燕王燕颜悦颜悦张梦葛张梦葛 碳纤维的概念n碳纤维是一种纤维状碳材料。呈黑色，坚硬，是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温，又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。它既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。n 建筑中使用碳纤维的必要性n 在建筑领域中，水泥的用量最大，但水泥有脆性大、抗拉强度低等缺点。为了改善这些弊端，人们利用碳纤维的力学特性，用混凝土或水泥做基体制成碳纤维增强复合材料。由于碳纤维和芳纶纤维等其有强度高、模量大、比重小、耐碱腐蚀，对人畜无害等特点，在土木建
2、筑应用中日益受到人们的青睐。碳纤维的应用形式n既可利用其长纤维作为结构材料，又可利用其短纤维作为功能材料；n基体既可是树脂又可以是水泥；n其与基体组成的复合材料既可置于构件的外表又可置于构件的内部；n既可单独使用又可以与其它纤维混合使用；n其复合材料是各向异性材料 碳纤维修复补强技术在建筑工程中的应用n 在长期使用中由于各种原因致使土木建筑工程结构物发生损坏或出现承载力不足时，都要进行结构补强。传统的钢筋混凝土结构补强多采用粘钢法或外包混凝土加钢筋法。但其施工方法复杂，体量庞大笨重，施工周期较长。 碳纤维补强是一种钢筋混凝土结构补强的新技术，在国外已经发展成熟，成为国际上一种混凝土结构补强新趋
3、势。碳纤维补强技术的基本原理n 将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强片材（单向连续纤维片）；用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强贴片与原有钢筋混凝土共同受力，增大结构的抗拉或抗剪能力，提高强度、刚度、抗裂性和结构的延性。 n 构件受弯破坏的典型破坏形式是产生横贯受拉区至受压区的集中裂缝；而构件受拉区表面粘贴了碳纤维片后，当构件受荷载作用时，裂缝难以进一步扩展。因 此，跨中的集中裂缝被“分散”成短小而细碎的裂缝并均匀地分散于构件的受拉区，使构件截面受压区高度增大，在碳纤维的增强作用下，使受弯构件的承载能力增加。 n n 对于墩柱结
4、构的脆断破坏主要是纵筋的细节设计不当或横向箍筋的约束不足，致使墩柱的强度与韧性指标偏低造成的。采用在主筋或箍筋不足的断面粘贴碳纤 维片和沿柱的周边环包碳纤维片。由于碳纤维片的高强度、高弹性模量性能，可以有效地约束柱的侧向变形，提高墩柱的强度和韧性，从而提高其抗震性能。碳纤维片的应用范围n桥梁、工业与民用建筑以及特种结构、高耸结构、池罐、涵洞、隧道等钢筋混凝土结构建筑物、构筑物的修复补强。n 采用碳纤维片修复补强的原因： 设计施工存在缺陷； 材料老化风化； 腐蚀侵害雨水锈蚀，碱骨料反应，酸碱环境钢筋 锈蚀； 超载、使用功能变化，对强度、挠度等提出要求； 疲劳、灾害损毁以及抗震加固等。碳纤维片修复
5、补强混凝土结构技术在建筑工程中的应用n梁、板：受弯构件受拉区补强（跨中下部，连续梁、板支座上部）通长粘贴。按需要进行设计确定粘贴层数。受拉区裂缝可在灌缝后贴碳纤维片密封，以控制裂缝的继续护展。n梁：抗剪补强对于主拉应力产生的斜裂缝，在梁侧垂直轴线粘贴碳纤维片，必要时可交叉粘贴单向纤维片。n柱、桥墩中心受压、偏心受压、承受横向力构件中心受压构件补强柱中部环包，增强对混凝土的约束，提高抗压强度； 偏心受压构件和抗震补强柱四面纵向粘贴抗弯补强；墩柱的塑性铰区域的抗弯补强； 柱受侧向力时的抗剪补强柱端环包（相当箍筋加密）； 抗震柱结构的延性补强抗弯、抗剪补强联合；n剪力墙单面或双面沿抗剪钢筋方向粘贴碳
6、纤维片；n其他结构 高耸结构：烟囱、筒仓、水塔与墩柱受力状况及补强方式相似；水池、气罐侧壁受拉补强； 涵洞、隧道异常受力状态下的抗弯、抗拉补强。n密封功能骑缝粘贴碳纤维片，使碳纤维与混凝土共同工作，延长混凝土构件的使用寿命。碳纤维修复补强技术的优越性1、补强物薄而轻，几乎不增加原结构尺寸及结构自身重量碳纤维片抗拉强度是同等截面钢板的710倍，其成品片材的厚度只有0.111mm0.167mm；外包混凝土加固补强法则很难做到这一点，尤其在层高有限的场所使用则更显其优越性。 2、施工简便、快捷碳纤维片能直接在建筑物表面粘贴、包裹，工序简单，无需模板及大型吊装设备，对施工场地要求较低，适于狭窄空间作业
7、。施工快捷、工期短，还可以在生产和设施正常运营的条件下施工，避免停产、停运的困难和损失。3、抗酸碱盐类介质的腐蚀用于近海、化学工业以及接触腐蚀性介质的结构可免防护，这一点是粘钢加固和外包混凝土加固方法所无法比拟的。4、可以有效地封闭混凝土结构的裂缝，延长结构的使用寿命。5、碳纤维片可以多层粘贴，适合于各种形状的结构，充分满足修复补强的要求。6、易于保持结构原状（随原形粘贴）外包混凝土法使结构体积增大，而粘钢补强法对于加固不规则形状的结构较为困难，尤其是对于异型梁、柱（如加腋梁、鱼腹 梁、薄腹板工型梁、异型柱）等。利用碳纤维片进行补强，可以最大限度地保持原建筑的结构特点，使原结构的外观不变。碳纤
8、维片表面还易于涂装，可以很方便地 涂刷各种涂料 或贴附各种板材，适应周围环境的要求，最大限度地减少修补的痕迹。 碳纤维加固技术在建筑工程中的应用 就目前的建筑工程项目而言，由于受到种种因素的影响经常都需要对已经建成的建筑物和建筑结构进行维修和加固。经过多年实践证明，目前的工程项目加固与维修中，应用碳化纤维对混凝土结构进行加固已成为施工的主要方式，是一种较高技术含量的、全新的建筑结构加固措施和加固手段。碳纤维作为一种新型的加固材料，其具有着自重轻、强度高、施工方便、快捷和不受其他因素限制的优势而被广泛的应用在各种钢筋混凝土结构加固工程中，对于提高混凝土结构承载力和延长寿命是较为有效的。碳纤维加固
9、结构构件技术概述和原理n碳纤维布加固技术是采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，是两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。适用范围n该技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋梁、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可：另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。传统加固及其弊端n三大传统加固方法：n加大截面积 此法的弊端：现场湿作业时间较长，对生产和生活有一定的影响，加固后净空会减少。n预应力加固法 此法的弊端：加固后对原结构外观有影响，仅适用与大跨度或重型结构的加固。
10、n粘钢法 此法的弊端为：用钢量大且不宜在无防护的情况下用于高温场所，会改变原构件截面尺寸。加固技术在实际应用的例子n n 抚顺烟囱碳纤维加固技术n 15碳纤维在桥梁技术中的应用 一、碳纤维增强混凝土n 碳纤维增强混凝土指的是短纤维或长纤维增强的混凝土材料。它主要用作高层建筑的外墙墙板。碳纤维增强混凝土的主要特征为；具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防
11、地震能力和抗弯强度提高十几倍。二、碳纤维复合材料棒材n 建材工业中最广泛使用的结构材料有钢材和中碳钢增强混凝土，钢材的腐蚀会导致建筑物的灾难性破坏。复合材料棒材不腐蚀、不导电，重量是钢材的1/4，热膨胀系数与钢材比较更接近混凝土，价格大约比环氧涂覆保护的钢材贵20%左右。使用复合材料棒材增强比使用中碳元钢增强，其弯曲强度增加。复合材斜棒材和水泥的粘结强度比元钢和水泥的粘结强度高约50%.因此它可以在海堤、造纸厂、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁等易腐蚀场合使用三、纤维增强胶接层板 纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板，以承受拉伸或压缩载荷。纤维增强胶接层板制造
12、技术的关键是纤维增强层板和木板之问的应变匹配。纤维增强胶接层板表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能，一般采用拉挤工艺制备。所使用的增强材料为混杂的碳纤维和其它纤维（玻璃纤维），基体为环氧树脂体系。四、碳纤维复合材料片n 碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。n 碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/41/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。五、在建筑中其他形式的应用n制作帘墙板（非承重墙），是一种具有优良耐老化性和突出机械特性的轻量板，可应用于高层建筑和海边耐腐蚀建筑。n防水房顶涂层，将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶，作为耐风化和不透水的表面，且此涂层表面外观优美。n电磁屏蔽板和导电板，由于碳纤维的高导电性，可消除来自大气的放电和雷击的静电。n墙和防腐蚀涂层、耐磨铺地材料、耐化学腐蚀性地板。碳纤维防水层碳纤维电板碳纤维地板碳纤维在其他领域的应用 谢谢观赏
