[科普中国]-碳纤维增强水泥复合材料

水泥制品一般是指混凝土、水泥砂浆和石棉水泥。 石棉及其制品因对环境造成严重污染，已被逐步淘汰出建材领域，取而代之的是新一代增强纤维。传统水泥制品的特性是抗压强度高，拉伸强度和杨氏模量低，抗弯性能差。就综合性能而言，碳纤维占优势。如果在水泥混凝土中加人少量碳纤维，拉伸强度可成倍提高，抗弯强度也随碳纤维加人量的增加而直线上升，碳纤维长丝的增强效果好，但适宜采用短切碳纤维，经打浆工序可得到碳纤维均匀分布的砂浆。同时，短切碳纤维价格低，尤其是沥青基碳纤维，容易被建材市场接受。

背景20世纪80年代初，日本鹿岛公司在伊拉克建设仿清真寺风格的纪念碑时，首次大量使用碳纤维水泥制品。碳纤维还具有优良的耐酸、耐碱和耐候性特性，即使是采用强碱性水泥也不会发生腐蚀。此外，碳纤维具有电磁屏蔽性和导电性能，是功能建筑材料和智能建筑材料的附加特性。

性能碳纤维增强水泥简称“碳纤水泥”。用碳纤维或石墨纤维掺入水泥浆而成的纤维增强水泥。具有优良的性能：(1)强度高、重量轻，强度/重量比值很大，有很高的使用价值；(2)热膨胀系数小，当环境温度变化时，外形变化微小；(3)耐磨损、耐腐蚀和耐水性好，能适应复杂的工作环境，寿命较长。制作时将碳纤维束松开，以便与水泥浆较好地握裹结合。用于精密机械的耐震部位，以及作为高强、防热、防腐蚀材料等。1

制造方法碳纤维复合材料片材、束状预浸料可用来增强梁、柱、板等混凝土构件，也可以用来加固、维修这些构件。这些片材、束状预浸料的基体树脂主要采用环氧系列产品，其特点是室温固化，固化后的弹性模量高，约在1500~3000MPa (纯树脂固化)。屈服断裂后的伸长在2%以上的韧性树脂，可使CFRP片材与混凝土结构牢固地粘接在一起。同时，两相界面存在高的剪切强度可有效传递载荷，而且可阻止裂纹的传播，从而提高了复合构件的承载能力。在张力下将片材绷紧，可充分发挥碳纤维的增强作用。如果绷得不紧，固化后会形成皱褶，降低了增强作用。所以，根据被增强混凝土构件的宽度来确定CFRP片材宽度W。为了便于操作，将W0分为La、Lb和Lc等组，以驱动马达调节所需张力，使其成为单向张紧片，然后固定CFRP片材的两端，进行张力贴补增强。在操作过程中，贴补增强体放置在橡胶袋中，密封，抽真空，进行压力固化，可制得高性能的增强构件。1

应用碳纤维增强水泥基复合材料应用的途径如下：

①将短碳纤维、聚丙烯腈纤维加人新混凝土中，制成高性能纤维混凝土新结构，主要用于薄壳结构、耐腐蚀结构、啧射混凝土及道路工程等。

②将碳纤维长丝制成棒材，在新混凝士结构中替代钢筋或预制成为钢筋，用于新建混凝土结构，主要用于海洋工程、大跨度桥梁及需电磁透过的工程结构。或将棒材用于结构加固，国外这样的工程实例已较多。

③将碳纤维加工成束状或绳状，用于大跨度桥梁的拉索或大跨度空间结构的悬索、拉索等。

④将碳纤维棒材与混凝土一起制成预制混凝土梁板、屋架，或用纤维棒制作网架等,这些新结构具有质量轻、强度高和耐腐蚀等优点。

⑤将短碳纤维或连续纤维用于各种公路路面及桥梁路面工程，以提高公路的质量及耐久性。

⑥将碳纤维、聚丙烯腈纤维制成编织物，用于结构加固补强。例如碳纤维、聚丙烯腈及聚丙烯纤维增强混凝土,高性能连续纤维布及其他型、片材增强混凝土。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学