論炭纖維復合材料在智能建筑結構中的應用

吳珂

（沈陽城市學院）

1 引言

經濟和科技的發展推動了建筑行業的進步，智能建筑結構在建筑行業中日益增多，功能更為豐富，能夠滿足住戶的個性化需求。炭纖維復合材料是一種新型的結構材料，在諸多方面均體現出較大的優勢。因此，智能建筑結構中，炭纖維復合材料的應用也成為人們關注的焦點。

2 炭纖維復合材料概述

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、導電性、導熱性和耐高溫性能。另外，炭纖維柔韌性優良，容量小，強度高，可應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，炭纖維也具有優良的力學性能，炭纖維的重量不足鋼的四分之一，且炭纖維復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，可形成性能更為優良的炭纖維復合材料。

與其他材料相比，炭纖維復合材料的優勢十分顯著。炭纖維復合材料的自振頻率較高，有效規避了共振問題。其次，炭纖維復合材料具有優良的耐久性和抗鹽、抗酸、抗堿及耐腐蝕特性。最后，炭纖維復合材料十分柔軟，這與樹脂材料優良的流動性有關。炭纖維復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構對材料的各項要求[1]。

3 炭纖維安全監視和健全診斷技術

為有效監測大型建筑構件自身的穩定性和安全性，研究人員制作了大型建筑結構安全診斷傳感線材，炭纖維應用范圍顯著擴大。炭纖維束受力后，纖維絲斷裂，破壞了炭纖維的導電性，炭纖維導電性下降程度與炭纖維受力成正相關關系。可基于埋入炭纖維絲電阻的改變，監測混凝土及相關構件的受力和形變動態。電阻值持續升高時，證明材料受力處于臨界狀態，如炭纖維電阻值繼續上升，則會產生無法挽回的損壞。從上可以看出，炭纖維復合材料能夠預測混凝土結構材料的壽命，也可分析前期材料受力情況[2]。

為充分發揮監測棒的增強作用，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揮其增強的作用，以免出現炭纖維斷裂信號后即刻產生結構大面積斷裂的問題。

為提升檢測的靈敏度，可于炭纖維周圍加入適量的導電性板狀炭質粉體和其他具有導電性能的陶瓷粉體炭纖維。因炭纖維和炭纖維復合材料具有強大的自我診斷功能，主要分為炭纖維不含導電顆粒和炭纖維含導電顆粒。如炭纖維中含有導電顆粒，導電性較強。若炭纖維受力，則炭纖維導電顆粒間的界面會由于對應力的反應較為敏感，而產生相對滑移，以此破壞導電性能，增大電阻值。在碳纖維和炭纖維融合后所形成的復合材料中，可清晰看到片狀的炭顆粒均勻地分布于炭纖維絲之間。炭纖維加入導電顆粒棒材后，電阻值的變化幅度顯著升高，因此，監測的靈敏度和診斷的可信度也隨之上升。該類炭纖維復合材料如今也廣泛應用于智能結構的診斷之中[3]。

3.1 人為破壞監測與警報中的應用

樹脂能夠將玻璃纖維與炭纖維粘結為棒狀，交叉后可形成網狀結構，兩側覆蓋適量混凝土后，可將其制成銀行防盜保安墻。在網狀導電墻中使用炭纖維后，所有鉆孔的位置電學信號值均會產生十分顯著的變化，隨后，炭纖維便可發出警報。因此，炭纖維也可應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，可第一時間發出警報。應用炭纖維無需投入較高成本，耐用性強，被盜賊發現的幾率較小[4]。

3.2 高層建筑傾斜度、變形量監測中的應用

在高層建筑物的混凝土鋼筋中連接高敏感炭纖維復合材料，能夠有效監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中，能夠準確把握建筑內多個部位的受力及形變動態，從而維護建筑的安全。

3.3 水泥管道漏水監測中的應用

炭纖維主要設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，導電性也隨之增強，可用電阻值變化監測，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 混凝土堿性物質清理中的應用

混凝土內部的堿性物質是引發鋼筋銹蝕和混凝土裂縫的主要因素。混凝土使用一段時間后，炭纖維中的堿性物質呈現稽聚現象，同時可向鋼筋表面移動，對鋼筋產生腐蝕作用，引起水泥開裂問題。合理利用埋入炭纖維的導電絲，能夠及時排除混凝土中的堿性物質，延長混凝土構件的使用壽命。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，導電炭纖維可吸附混凝土中的堿性物質，且移至混凝土表面，清洗后便可清除堿性物質。該方法廣泛應用在重要建筑物的保護和維護之中，每三年要對炭纖維開展維護施工，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用

充分利用埋入炭纖維復合材料之中的棒材，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發熱，因此，研究人員在含有炭纖維復合棒材通電后，能夠使墻面溫度提高5℃～20℃。該技術在地下防空洞墻體和圖書資料館墻體中能夠充分發揮作用和價值。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。據相關報道稱，合理利用炭纖維埋入法，多次通電加熱，能夠使墻體產生微型裂縫，進而順利拆除廢舊的混凝土墻體[6]。

4 炭纖維氈包裹層內部缺陷裂紋紅外診斷技術

如炭纖維包裹混凝土墻體或墩柱后，則無法及時發現新生的裂紋和缺陷。為更好地監測炭纖維內部的裂紋動態，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，電熱絲明顯發熱，同時產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部是否出現裂紋和變形問題[7]。若炭纖維布下無變形和裂紋現象，則紅外圖像需呈均勻對稱分布方式，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不規則的炭纖維。依據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。該技術也成為近表層內部裂紋檢測中廣泛應用的方法[8]。

圖1 炭纖維包裹混凝土

5 結語

總之，高強度炭纖維材料一方面是應用于軍工領域的重要材料，另一方面，在民用領域也發揮著不可忽視的作用。該類材料的成分及性能優勢顯著，同時也滿足了人們對生活環境提出的客觀要求。在炭纖維技術發展中，制造成本明顯下降，這也為炭纖維的廣泛應用奠定了堅實的基礎。積極推動炭纖維材料在工程建設和社會發展尤其是智能建筑結構中的應用，也成為炭纖維材料的主流發展趨勢，這有利于提升技術水平，值得建筑行業的高度重視，成為推動行業進步的一大助力。