隨著建筑的現代化程度不斷提高,其功能屬性也日益凸顯。在材料選擇和施工的難易程度上都面臨著挑戰。同時,在努力實現國家“3060”目標的道路上,建筑材料的應用也不容忽視。據了解,全國建材生產階段碳排放達到了總碳排放量的約28%,其中鋼材、水泥和鋁材能耗占比更是超過90%。因此,傳統的材料和技術已不能滿足建筑現代化進程中迭代的需求,碳纖維復合材料逐步受到圈內人士的關注。
01
碳纖維復材在橋梁中的應用
去年,國內最長碳纖維復合材料斜拉索亮相江陰。48根超高強度斜拉索中,包括兩根長約104米的碳纖維復合材料斜拉索,在國內尚屬首次。碳纖維復合材料的應用不僅提高了橋梁的承載效率和跨徑,還解決了傳統鋼絲纜索的腐蝕和疲勞問題,為建造更輕質、長壽命的高性能橋梁結構提供了先進方案。
由于其質量輕、強度高,適用于大跨度懸索橋的主纜。相比于傳統的鋼纜,碳纖維斜拉索的自重更輕,提高了承載效率,簡化了施工過程,并降低了成本。對于現代懸索橋的鋼纜,隨著跨徑的增加,纜索的自重也隨之增大,且增長趨勢是呈非線性的。主纜自重的增加將會導致一系列問題:首先是承載效率的降低,使得主纜承受外部荷載的比例減少;其次是橫截面面積的增加,造成主纜、索夾、索鞍等構件的尺寸增加、施工難度增大、成本增加。若采用自重小的碳纖維作纜索,不但可大大提高承載效率,還可簡化施工過程等。
其次,碳纖維材料耐腐蝕性好,能夠增強橋梁的耐久性,減少了后期維護費用。相對于鋼纜索需要復雜的防腐涂裝和定期檢查,采用碳纖維斜拉索可以減少這些工作量,降低換索的頻率。對鋼纜索懸索橋,耐腐蝕性差是影響耐久性的最大的因素,因此在架設主纜時需進行多次復雜的防腐涂裝,且在成橋營運后,還需按期對主纜進行檢查。作為懸索橋的主要承重構件,主纜因嚴重腐蝕而進行更換是相當復雜和耗時的。可見,采用耐腐性好的碳纖維纜索不僅可以增強橋梁的耐久性,還可以減小換索的可能性。
碳纖維具有優良的抗疲勞性能,適用于復雜的結構形式,有望提高結構的動力性能。從前面對懸索橋各個構件的介紹可知,將吊索設置成為斜向連接可有效改善橋梁的振動性能,但在實際應用中的鋼纜索易發生疲勞斷裂,限制了它的應用。因碳纖維材料具有優良的抗疲勞性能,可望將其運用在抗疲勞性差的斜吊索中,從而提高結構的動力性能。 此外,碳纖維斜拉索的自重較低,有利于增強橋梁的抗震性能,減小了主塔和錨碇所受的荷載,進一步提高了結構的安全性。由于碳纖維材料的容重約為鋼材的1/5,使得主纜在地震荷載下受到的作用也大為減小,最終主塔和錨碇受到的荷載也較小。可見,自重較低的碳纖維纜索對抗震是有利的。
02
碳纖維復材在裝配式房屋中的應用
我國建筑行業正在迅速推廣裝配式房屋,這種建筑方式具有施工速度快、質量可控等優勢。然而,傳統材料在應對裝配式房屋需求方面存在局限,如抗拉強度、耐腐蝕性等方面的不足,限制了建筑質量的進一步提升。碳纖維復合材料因其優異的性能而成為了解決這一問題的有效途徑。碳纖維具有輕質、高強度、耐腐蝕等特點,能夠滿足裝配式房屋對材料性能的要求。其在建筑領域的應用不僅能夠提高建筑結構的承載能力和穩定性,還能夠有效降低建筑的自重,減少對基礎的要求,從而提高建筑的安全性和可靠性。因此,碳纖維復合材料在裝配式房屋中的應用具有重要意義,可以推動我國建筑行業向著更加智能、綠色和可持續發展的方向邁進。
碳纖維復合材料在裝配式房屋中的應用不僅增強了建筑結構的強度和穩定性,而且延緩了建筑物的老化過程。首先,在混凝土構件加工方面,通過使用碳纖維復合材料,不僅可以提高構件的加固性能和耐久性,還能夠延長構件的使用壽命,減少了長期維護的需求。例如,傳統的混凝土結構往往容易受到環境因素的影響而產生裂縫和損壞,而碳纖維復合材料的使用可以有效地減少這種情況的發生,從而延長了構件的使用壽命。
在裝配式房屋剪力墻板方面,碳纖維復合材料的應用提高了墻板的整體強度和耐用性,使得建筑結構更加耐久,減少了修復和更換的頻率。例如,剪力墻板作為建筑結構中的重要承重構件,在碳纖維復合材料的加固下,能夠更好地承受外部荷載,從而延長了墻板的使用壽命,并提高了建筑的整體安全性。
在承載結構方面,碳纖維復合材料的應用不僅增強了結構的穩定性和耐久性,還延長了建筑物的使用壽命,降低了后期維護的成本。例如,承載結構中的鋼結構在碳纖維復合材料的加固下,能夠更好地抵抗風雨侵蝕和外部壓力,從而延長了結構的使用壽命,并降低了維護成本。
涂層織物方面,碳纖維復合材料的應用改善了織物的性能和保護性,有效地延長了織物的使用壽命,使得建筑外觀更持久美觀。例如,外墻涂層織物在碳纖維復合材料的保護下,能夠更好地抵御紫外線和雨水侵蝕,從而延長了織物的使用壽命,并保持了建筑的外觀美觀和整潔
最后,在混凝土質量增強方面,碳纖維復合材料的使用不僅提高了混凝土的耐久性和抗腐蝕性,還有助于減緩混凝土結構老化的速度,延長了建筑的壽命,降低了維護成本。例如,混凝土結構在碳纖維復合材料的加固下,能夠更好地抵抗溫度變化和化學侵蝕,從而延長了結構的使用壽命,并減少了維護和修復的頻率。
03
碳纖維復材在建筑陶瓷中的應用
隨著資源節約型和環境友好型社會建設的全面推廣,建筑陶瓷作為裝飾材料也在轉型過程中邁出了重要的一步。其中,輕量化和薄型化成為建筑陶瓷產品研發、設計、生產、使用的主要趨勢。同時,隨著大規格建筑陶瓷產品逐步進入市場,對性能的要求也日益提高,尤其是對建筑陶瓷的破壞強度和斷裂模數提出了更高的要求。
目前,針對建筑陶瓷的破壞強度和斷裂模數,主要方法之一是通過提高陶瓷的密度來實現。這包括增加坯體成型壓力,提高坯體密度,以達到燒制后較高的破壞強度和斷裂模數。然而,這種方法受制于建筑陶瓷的生產設備和原料要求,因此需要尋求更具前景的探索方向。基于復合材料的增強機理,向建筑陶瓷中添加適量的短纖維是一種很有潛力的方法,可以提高其破壞強度、斷裂模數甚至韌性。
在陶瓷基復合材料中,常用于基體增強的短纖維包括氧化鋁、莫來石、碳纖維和氧化鋯等。盡管碳纖維由于其化學組成,在高溫有氧氛圍下難以保持纖維形態,但在嚴格燒制氛圍下,碳纖維仍然可以作為增強體與碳化硅、氧化物基體形成復合陶瓷。此外,碳纖維還可以用于增強氧化物陶瓷,但需要在真空或惰性氣氛中進行燒制。這些探索為建筑陶瓷的性能提升和應用拓展提供了新的可能性。
參考文獻:
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