碳纖維廢絲混凝土現狀及研究進展

聶紅賓　譚平

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業技術學院科研課題（2014-44）。

碳纖維絲19 0 4年被用于電燈泡，愛迪生隨后用鎢絲代替了碳絲燈泡，1950年，美國聯合碳公司（UCC）因碳熔點很高，采用碳化有機纖維的方式來制備碳纖維。這種碳化有機纖維被公認為碳纖維的前驅體。1958年，UCC的碳纖維轉化率只有20%，無法實現大規模的商業化生產。1959年，日本大阪國家工業研究所（GIRIO）近藤昭男博士利用紡織物的布頭進行試驗，找到了一種聚丙烯腈纖維（也就是后來我國近年來廣泛研究的PAN基纖維），這也是最早的PAN基碳纖維，轉化率可以達到50-60%，奠定了碳纖維產業化的基礎，為此，近藤在1977年被授予日本化學會技術開發獎[1]。

中國研究碳纖維起步比較早的，在1962年，中科院長春應用化學所李元任組長的“PAN基碳纖維的研制”課題開始啟動。標志著中國對碳纖維進入研究階段[2]。在1960年初開始，碳纖維屬于禁運產品，國際一直對中國嚴加封鎖。最后通過英國一家公司進口了兩套設備，北京和吉林兩個科研項目共耗資900萬美元左右，費用巨大。1975年在張愛萍[3]將軍的倡導下，11月在北京舉行了第一次全國碳纖維會議[4]（7511會議[5]），隨后制定了中國第一個碳纖維發展研究計劃。

各國學者對高性能的碳纖維展開了較深的研究，同時對于碳纖維廢絲（國外稱為碳纖維循環絲或者再生絲）也展開了相應研究， 2012年，日本東京大學的守富寬學者[8]和瑞典呂勒奧理工大學M Szpieg[9]學者針對日本、美國等國內碳纖維工業廢料富集的現象，最早提出了碳纖維工業廢料的循環利用，并利用纖維廢料制備出第一根碳纖維再生絲。2013年，北京化工大學的韓紅艷[10]教授提出了聚乳酸（PLLA）與再生碳纖維（RCF）復合材料制備方法，該方法表明：增強了RCF與PLLA的界面附著力，從而使PLLA/RCF復合材料的力學性能得到顯著提高。

碳纖維應用在房屋建筑中是1982年，日本鹿島建設公司率先開發輕質碳纖維復合板，建成了巴格達AI-Shaheed紀念館，將復合板包裹在混凝土外表面以抵抗混凝土凝結時因外界環境變化而引起開裂[13]，1984年由Kajima在伊拉克使用碳纖維復合板后，陸續30多座大型建筑使用碳纖維增強混凝土外墻墻板。使用一段時間后發現，碳纖維板與混凝土結構表面很容易開裂。1988年，日本日麗公司將碳纖維絲直接加入混凝土中，應用于橋梁、橋面板、隧道工程實際中，效果較好，較好的解決了纖維與混凝土界面的開裂問題。[12]

對碳纖維混凝土的研究我國始于1987年，我國學者周振清[13]對碳纖維混凝土的導電性展開研究，19 9 9年，學者吳寅[14]對碳纖維混凝土梁開裂及撓度進行了研究。2 0 0 0年，學者趙彤[15]、吳剛[16]對碳纖維修復柱抗震性能進行了研究。這一階段我國研究主要是碳纖維片材，直到2003年，學者簡華麗[17]對改性PAN基碳纖維混凝土早起阻裂、壓敏等性能展開研究。2006年，學者耿耀明[18-19]通過軸壓試驗對碳纖維摻量開展研究。2013年，學者牛建剛[20]對輕骨料碳纖維混凝土受力性能展開研究， 2018年，學者周茗[21-22]如采用快速凍融循環試驗研究纖維種類及摻量對混凝土抗凍性的影響。2019年，學者趙柏冬[23]基于相對動彈性模量、質量損失率對C40纖維質量分數在1.0%的混凝土進行凍融研究。由此可見，碳纖維混凝土在低溫環境下阻裂及耐久性能研究已經成為一個熱點。

而對于碳纖維廢絲混凝土的研究，我國學者東南大學吳剛[24]教授在2019年12月全國碳纖維標準化技術委員會一屆二次會上做了報告《PAN基碳纖維廢絲混凝土基本力學性能研究》，闡明了碳纖維廢絲混凝土的制備、力學特性。吳智深[25]教授、王曉初[26]教授對碳纖維廢絲制備的混凝土構件展開了一系列研究，旨在研究碳纖維廢絲加入構件中的阻裂機理。

參考文獻

[1]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M]北京：科學出版社，2000.

[2]黃承逵.纖維混凝土結構[M]北京：機械工業出版社，2004.

[3]龔益，沈榮熹，李清海.杜拉纖維在土建工程中的應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4] Sun Wei， Gao Jian ming， Yan Yun. Study of the FatiguePerformance and damage Mechanism of Steel Reinforced Concrete[ J]AC1 Materials Journal.1996（6，7）.

[5]李士恩.纖維混凝土在國際上的發展及其在中國工程上的應用

[C]微纖維混凝土抗裂防水技術交流會，1997.

[6]國家科技部. 國家重大基礎研究項目規劃[M] 中國科學技術出版社，2006（1）：46-57.

[7]國家科技部.國家科技進步獎獎勵名單，http：//www.most.gov.cn/.

[8]守富寛，西村賢大，隈部和弘，板津秀人，神吉肇. 6-5-4 リサイクル炭素繊維の省エネ再生技術（6-5 省エネ技術1，Session 6 省エネルギー）[ J]. 日本エネルギー學會大會講演要旨集，2012，21.