碳纖維材料是一種比鋁更輕、比頭發絲更細、強度超過合金鋼的材料，具有抗腐蝕、耐磨和韌性等優異特性，被認為是目前最優秀的建造材料之一。甚至有人提出了大膽的設想，使用碳纖維材料構建一條從宇宙到地表的"天梯"。

太空軌道電梯

 

    碳纖維具有高剛度、高拉伸強度、高耐化學性、耐高溫和低熱膨脹等多種性能。因此，在土木工程中，碳纖維成為備受歡迎和廣泛使用的材料之一，有人將其稱為材料界的"超級英雄"。

 

    一、碳纖維的“纖細與廣大”

 

    碳纖維是一種重要的無機高性能纖維碳材料，在化工材料領域占據重要地位。它由聚丙烯腈、黏合纖維、瀝青纖維等有機纖維在高溫下碳化制得，碳含量超過95%，本質上是碳的同素異形體。

碳纖維布近距離特寫

 

    通常情況下，碳纖維的直徑約為10微米，需要將7至8根碳纖維排列在一起才與一根頭發絲的粗細相當。其拉伸強度可達到4800兆帕，是鋼材強度的7至9倍，但密度僅為鋼的四分之一。在高溫下，其他纖維已經化為灰燼，而碳纖維卻完全不受影響。

 

碳纖維板

 

    事實上，看似普通的碳纖維在新材料領域被譽為一匹"黑馬"，應用領域極其廣泛。碳纖維首個市場化應用可以追溯到1972年，當時推出了碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維迅速應用于高端工業制造和尖端科技領域。小束直徑的碳纖維主要用于國防軍工、航空航天、衛星導彈和休閑體育用品領域，而大束直徑的碳纖維主要用于工業和民用領域。

 

    目前，碳纖維在導彈、空間平臺和運載火箭、先進艦船、軌道交通車輛、電動汽車、燃料電池、電力電纜、特種管筒、公共基礎設施、醫療和工業設備、體育休閑產品以及時尚生活用品等諸多領域都有實際和潛在的應用。

 

預應力碳板橋梁加固

 

    因此，盡管碳纖維外表看起來柔軟，但實際上它是一種內部堅硬的真正強大的材料，在國防軍工和民用領域等多個方面都是重要的材料或戰略物資。由于其材料特性、產業技術復雜性、應用領域的重要性和市場規模等因素的影響，碳纖維被譽為"黑色黃金"或"材料之王"。

 

    二、碳纖維在建筑結構修復中應用

 

    碳纖維在建筑結構修復中的應用方面，一種新的修復技術涉及使用外部粘結纖維增強塑料（FRP）層壓板。類似于鋼板粘結，FRP層壓板粘結技術包括使用熱固性樹脂將薄型柔性纖維板粘結到混凝土表面。這種技術可用于提高梁和板的抗剪和抗彎能力，以及增加柱的約束。該系統不會給結構增加顯著的恒載，耐腐蝕性較好，并可在相對較短的時間內安裝。

 

碳纖維板

 

    此外，碳纖維材料也常應用于建筑的加固和維修。目前，修繕和修復建筑的趨勢強調了為現有結構提供額外強度的必要性。對于那些面臨使用變更、退化問題或設計/施工缺陷的結構，通常需要進行一定程度的加固，碳纖維材料無疑是加固施工的優選材料之一。

 

碳纖維布建筑加固

 

    三、碳纖維在預制混凝土中的應用

 

    碳纖維在預制混凝土中的應用是一個相對較新但快速發展的領域。從2003年開始，碳纖維在預制混凝土中得到廣泛應用。在北美地區，碳纖維格柵已成為常見的預制構件材料。碳纖維格柵可用于替代鋼筋網，并作為混凝土墻內外部分的機械連接。無腐蝕性的碳纖維格柵加固了墻板表面，減少了混凝土的使用量，從而減輕了重量和原材料的使用。碳纖維格柵加固的墻板比傳統預制板輕約40%。

 

碳纖維格柵

 

    碳纖維在房屋結構中也有應用。當龍卷風襲擊美國中西部時，傳統的木質、鋼制和混凝土建筑構件無法抵御其破壞力。對于那些正在尋找新起點的人們來說，新型材料可能為百年歷史的房屋提供抵御氣象災害的能力。

 

碳纖維布古建筑加固

 

    碳纖維是纖維混凝土中鋼絲材料的優秀替代品。用于纖維混凝土的纖維通常是低成本的纖維素或PAN基碳纖維，與鋼相比導熱性更低，搭配混凝土一起使用時也具有不錯的粘結性。此解決方案適用于高負荷地板和道路。在纖維水泥中，碳纖維也可以代替石棉，碳纖維材料不會引起任何人體吸入問題。