炭纖維復(fù)合材料在智能建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用
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【摘要】在大型結(jié)構(gòu)安全性評價及壽命預(yù)測中，碳纖維材料發(fā)揮著十分重要的作用。炭纖維與玻璃纖維、碳顆粒及陶瓷顆粒、電熱絲的融合與應(yīng)用，成為大型構(gòu)件智能化發(fā)展的主流趨勢。文章簡要介紹炭纖維復(fù)合材料在智能建筑結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】纖維復(fù)合材料；智能建筑結(jié)構(gòu)；應(yīng)用
1引言
經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展推動了建筑行業(yè)的進(jìn)步，智能建筑結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中日益增多，功能更為豐富，能夠滿足住戶的個性化需求。炭纖維復(fù)合材料是一種新型的結(jié)構(gòu)材料，在諸多方面均體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。因此，智能建筑結(jié)構(gòu)中，炭纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也成為人們關(guān)注的焦點。
2炭纖維復(fù)合材料概述
炭纖維本身具有較強的特殊性，含有大量的碳元素，類型十分豐富。其中，含碳量是影響炭纖維類型的主要因素，通常炭纖維的含碳量均在90%以上。炭纖維具有良好的抗腐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐高溫性能。另外，炭纖維柔韌性優(yōu)良，容量小，強度高，可應(yīng)用于各類織物的加工，且炭纖維軸具有良好的方向強度。再者，炭纖維也具有優(yōu)良的力學(xué)性能，炭纖維的重量不足鋼的四分之一，且炭纖維復(fù)合材料的抗拉強度為鋼材料的7倍～10倍，彈性模量較高，炭纖維材料與樹脂材料融合后，可形成性能更為優(yōu)良的炭纖維復(fù)合材料。與其他材料相比，炭纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢十分顯著。炭纖維復(fù)合材料的自振頻率較高，有效規(guī)避了共振問題。其次，炭纖維復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐久性和抗鹽、抗酸、抗堿及耐腐蝕特性。最后，炭纖維復(fù)合材料十分柔軟，這與樹脂材料優(yōu)良的流動性有關(guān)。炭纖維復(fù)合材料的形狀具有多樣性和靈活性，選擇空間較大，該類材料可滿足不同建筑結(jié)構(gòu)對材料的各項要求[1]。
3炭纖維安全監(jiān)視和健全診斷技術(shù)
為有效監(jiān)測大型建筑構(gòu)件自身的穩(wěn)定性和安全性，研究人員制作了大型建筑結(jié)構(gòu)安全診斷傳感線材，炭纖維應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大。炭纖維束受力后，纖維絲斷裂，破壞了炭纖維的導(dǎo)電性，炭纖維導(dǎo)電性下降程度與炭纖維受力成正相關(guān)關(guān)系?？苫诼袢胩坷w維絲電阻的改變，監(jiān)測混凝土及相關(guān)構(gòu)件的受力和形變動態(tài)。電阻值持續(xù)升高時，證明材料受力處于臨界狀態(tài)，如炭纖維電阻值繼續(xù)上升，則會產(chǎn)生無法挽回的損壞。從上可以看出，炭纖維復(fù)合材料能夠預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)材料的壽命，也可分析前期材料受力情況[2]。為充分發(fā)揮監(jiān)測棒的增強作用，需要在棒材中加入適量的玻璃纖維炭纖維。玻璃纖維的彈性模量較小，炭纖維允許變形量較大，炭纖維斷裂后，炭纖維玻璃纖維依然能夠發(fā)揮其增強的作用，以免出現(xiàn)炭纖維斷裂信號后即刻產(chǎn)生結(jié)構(gòu)大面積斷裂的問題。為提升檢測的靈敏度，可于炭纖維周圍加入適量的導(dǎo)電性板狀炭質(zhì)粉體和其他具有導(dǎo)電性能的陶瓷粉體炭纖維。因炭纖維和炭纖維復(fù)合材料具有強大的自我診斷功能，主要分為炭纖維不含導(dǎo)電顆粒和炭纖維含導(dǎo)電顆粒。如炭纖維中含有導(dǎo)電顆粒，導(dǎo)電性較強。若炭纖維受力，則炭纖維導(dǎo)電顆粒間的界面會由于對應(yīng)力的反應(yīng)較為敏感，而產(chǎn)生相對滑移，以此破壞導(dǎo)電性能，增大電阻值。在碳纖維和炭纖維融合后所形成的復(fù)合材料中，可清晰看到片狀的炭顆粒均勻地分布于炭纖維絲之間。炭纖維加入導(dǎo)電顆粒棒材后，電阻值的變化幅度顯著升高，因此，監(jiān)測的靈敏度和診斷的可信度也隨之上升。該類炭纖維復(fù)合材料如今也廣泛應(yīng)用于智能結(jié)構(gòu)的診斷之中[3]。
3.1人為破壞監(jiān)測與警報中的應(yīng)用
樹脂能夠?qū)⒉ＡЮw維與炭纖維粘結(jié)為棒狀，交叉后可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，兩側(cè)覆蓋適量混凝土后，可將其制成銀行防盜保安墻。在網(wǎng)狀導(dǎo)電墻中使用炭纖維后，所有鉆孔的位置電學(xué)信號值均會產(chǎn)生十分顯著的變化，隨后，炭纖維便可發(fā)出警報。因此，炭纖維也可應(yīng)用于偏僻位置的自動售貨機、自動提款機的壁材之中，若受到人為破壞，可第一時間發(fā)出警報。應(yīng)用炭纖維無需投入較高成本，耐用性強，被盜賊發(fā)現(xiàn)的幾率較小[4]。
3.2高層建筑傾斜度、變形量監(jiān)測中的應(yīng)用
在高層建筑物的混凝土鋼筋中連接高敏感炭纖維復(fù)合材料，能夠有效監(jiān)測高層建筑物多個位置的形變量和受力超過正常范圍的位置。將炭纖維材料埋入高層建筑混凝土墻體當(dāng)中，能夠準(zhǔn)確把握建筑內(nèi)多個部位的受力及形變動態(tài)，從而維護(hù)建筑的安全。
3.3水泥管道漏水監(jiān)測中的應(yīng)用
炭纖維主要設(shè)置于鋼筋混凝土管道的外壁，與管道軸線平行。炭纖維周圍含水量提高時，導(dǎo)電性也隨之增強，可用電阻值變化監(jiān)測，以此確定管道漏水概況。測量中選擇交流電阻測量，交流電頻率1kHz，電壓為5V，當(dāng)水分滲透過炭纖維時，電阻值會上升2倍～3倍[5]。
3.4混凝土堿性物質(zhì)清理中的應(yīng)用
混凝土內(nèi)部的堿性物質(zhì)是引發(fā)鋼筋銹蝕和混凝土裂縫的主要因素?；炷潦褂靡欢螘r間后，炭纖維中的堿性物質(zhì)呈現(xiàn)稽聚現(xiàn)象，同時可向鋼筋表面移動，對鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用，引起水泥開裂問題。合理利用埋入炭纖維的導(dǎo)電絲，能夠及時排除混凝土中的堿性物質(zhì)，延長混凝土構(gòu)件的使用壽命。原理是在含有炭纖維棒或絲的混凝土兩端施加高壓直流電，導(dǎo)電炭纖維可吸附混凝土中的堿性物質(zhì)，且移至混凝土表面，清洗后便可清除堿性物質(zhì)。該方法廣泛應(yīng)用在重要建筑物的保護(hù)和維護(hù)之中，每三年要對炭纖維開展維護(hù)施工，防止混凝土受到堿性侵蝕。
3.5廢舊混凝土墻體拆除中的應(yīng)用
充分利用埋入炭纖維復(fù)合材料之中的棒材，能夠起到加熱墻體和提升室溫的作用。炭纖維通電的過程中可持續(xù)發(fā)熱，因此，研究人員在含有炭纖維復(fù)合棒材通電后，能夠使墻面溫度提高5℃～20℃。該技術(shù)在地下防空洞墻體和圖書資料館墻體中能夠充分發(fā)揮作用和價值。使用中只需保持電壓不超過10V，便不會威脅到人體的生命安全。據(jù)相關(guān)報道稱，合理利用炭纖維埋入法，多次通電加熱，能夠使墻體產(chǎn)生微型裂縫，進(jìn)而順利拆除廢舊的混凝土墻體[6]。
4炭纖維氈包裹層內(nèi)部缺陷裂
紋紅外診斷技術(shù)如炭纖維包裹混凝土墻體或墩柱后，則無法及時發(fā)現(xiàn)新生的裂紋和缺陷。為更好地監(jiān)測炭纖維內(nèi)部的裂紋動態(tài)，可在炭纖維布底部鋪墊一種高效的電熱絲（見圖1）。向電熱絲施加微小電壓時，電熱絲明顯發(fā)熱，同時產(chǎn)生了波長固定的紅外線。以紅外攝像儀觀察通電后紅外熱像的變化，可明確炭纖維布的內(nèi)部是否出現(xiàn)裂紋和變形問題[7]。若炭纖維布下無變形和裂紋現(xiàn)象，則紅外圖像需呈均勻?qū)ΨQ分布方式，在存在裂紋或缺陷附件的位置，紅外圖像會受到缺陷形狀及大小的影響出現(xiàn)不規(guī)則的炭纖維。依據(jù)紅外圖像能夠分析和確定裂紋的具體位置、裂紋的大小及深度。加熱電壓僅為3V-10V。若存在疑慮，可隨時檢測，檢測效率高，檢測中無需投入較高的成本。該技術(shù)也成為近表層內(nèi)部裂紋檢測中廣泛應(yīng)用的方法[8]。
5結(jié)語
總之，高強度炭纖維材料一方面是應(yīng)用于軍工領(lǐng)域的重要材料，另一方面，在民用領(lǐng)域也發(fā)揮著不可忽視的作用。該類材料的成分及性能優(yōu)勢顯著，同時也滿足了人們對生活環(huán)境提出的客觀要求。在炭纖維技術(shù)發(fā)展中，制造成本明顯下降，這也為炭纖維的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。積極推動炭纖維材料在工程建設(shè)和社會發(fā)展尤其是智能建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，也成為炭纖維材料的主流發(fā)展趨勢，這有利于提升技術(shù)水平，值得建筑行業(yè)的高度重視，成為推動行業(yè)進(jìn)步的一大助力。
作者:吳珂 單位:沈陽城市學(xué)院