碳纖維廢絲混凝土現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

聶紅賓　譚平

基金項(xiàng)目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題（2014-44）。

碳纖維絲19 0 4年被用于電燈泡，愛(ài)迪生隨后用鎢絲代替了碳絲燈泡，1950年，美國(guó)聯(lián)合碳公司（UCC）因碳熔點(diǎn)很高，采用碳化有機(jī)纖維的方式來(lái)制備碳纖維。這種碳化有機(jī)纖維被公認(rèn)為碳纖維的前驅(qū)體。1958年，UCC的碳纖維轉(zhuǎn)化率只有20%，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。1959年，日本大阪國(guó)家工業(yè)研究所（GIRIO）近藤昭男博士利用紡織物的布頭進(jìn)行試驗(yàn)，找到了一種聚丙烯腈纖維（也就是后來(lái)我國(guó)近年來(lái)廣泛研究的PAN基纖維），這也是最早的PAN基碳纖維，轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到50-60%，奠定了碳纖維產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，為此，近藤在1977年被授予日本化學(xué)會(huì)技術(shù)開(kāi)發(fā)獎(jiǎng)[1]。

中國(guó)研究碳纖維起步比較早的，在1962年，中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所李元任組長(zhǎng)的“PAN基碳纖維的研制”課題開(kāi)始啟動(dòng)。標(biāo)志著中國(guó)對(duì)碳纖維進(jìn)入研究階段[2]。在1960年初開(kāi)始，碳纖維屬于禁運(yùn)產(chǎn)品，國(guó)際一直對(duì)中國(guó)嚴(yán)加封鎖。最后通過(guò)英國(guó)一家公司進(jìn)口了兩套設(shè)備，北京和吉林兩個(gè)科研項(xiàng)目共耗資900萬(wàn)美元左右，費(fèi)用巨大。1975年在張愛(ài)萍[3]將軍的倡導(dǎo)下，11月在北京舉行了第一次全國(guó)碳纖維會(huì)議[4]（7511會(huì)議[5]），隨后制定了中國(guó)第一個(gè)碳纖維發(fā)展研究計(jì)劃。

各國(guó)學(xué)者對(duì)高性能的碳纖維展開(kāi)了較深的研究，同時(shí)對(duì)于碳纖維廢絲（國(guó)外稱為碳纖維循環(huán)絲或者再生絲）也展開(kāi)了相應(yīng)研究， 2012年，日本東京大學(xué)的守富寬學(xué)者[8]和瑞典呂勒奧理工大學(xué)M Szpieg[9]學(xué)者針對(duì)日本、美國(guó)等國(guó)內(nèi)碳纖維工業(yè)廢料富集的現(xiàn)象，最早提出了碳纖維工業(yè)廢料的循環(huán)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(xué)的韓紅艷[10]教授提出了聚乳酸（PLLA）與再生碳纖維（RCF）復(fù)合材料制備方法，該方法表明：增強(qiáng)了RCF與PLLA的界面附著力，從而使PLLA/RCF復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提高。

碳纖維應(yīng)用在房屋建筑中是1982年，日本鹿島建設(shè)公司率先開(kāi)發(fā)輕質(zhì)碳纖維復(fù)合板，建成了巴格達(dá)AI-Shaheed紀(jì)念館，將復(fù)合板包裹在混凝土外表面以抵抗混凝土凝結(jié)時(shí)因外界環(huán)境變化而引起開(kāi)裂[13]，1984年由Kajima在伊拉克使用碳纖維復(fù)合板后，陸續(xù)30多座大型建筑使用碳纖維增強(qiáng)混凝土外墻墻板。使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，碳纖維板與混凝土結(jié)構(gòu)表面很容易開(kāi)裂。1988年，日本日麗公司將碳纖維絲直接加入混凝土中，應(yīng)用于橋梁、橋面板、隧道工程實(shí)際中，效果較好，較好的解決了纖維與混凝土界面的開(kāi)裂問(wèn)題。[12]

對(duì)碳纖維混凝土的研究我國(guó)始于1987年，我國(guó)學(xué)者周振清[13]對(duì)碳纖維混凝土的導(dǎo)電性展開(kāi)研究，19 9 9年，學(xué)者吳寅[14]對(duì)碳纖維混凝土梁開(kāi)裂及撓度進(jìn)行了研究。2 0 0 0年，學(xué)者趙彤[15]、吳剛[16]對(duì)碳纖維修復(fù)柱抗震性能進(jìn)行了研究。這一階段我國(guó)研究主要是碳纖維片材，直到2003年，學(xué)者簡(jiǎn)華麗[17]對(duì)改性PAN基碳纖維混凝土早起阻裂、壓敏等性能展開(kāi)研究。2006年，學(xué)者耿耀明[18-19]通過(guò)軸壓試驗(yàn)對(duì)碳纖維摻量開(kāi)展研究。2013年，學(xué)者牛建剛[20]對(duì)輕骨料碳纖維混凝土受力性能展開(kāi)研究， 2018年，學(xué)者周茗[21-22]如采用快速凍融循環(huán)試驗(yàn)研究纖維種類及摻量對(duì)混凝土抗凍性的影響。2019年，學(xué)者趙柏冬[23]基于相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率對(duì)C40纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%的混凝土進(jìn)行凍融研究。由此可見(jiàn)，碳纖維混凝土在低溫環(huán)境下阻裂及耐久性能研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。

而對(duì)于碳纖維廢絲混凝土的研究，我國(guó)學(xué)者東南大學(xué)吳剛[24]教授在2019年12月全國(guó)碳纖維標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)一屆二次會(huì)上做了報(bào)告《PAN基碳纖維廢絲混凝土基本力學(xué)性能研究》，闡明了碳纖維廢絲混凝土的制備、力學(xué)特性。吳智深[25]教授、王曉初[26]教授對(duì)碳纖維廢絲制備的混凝土構(gòu)件展開(kāi)了一系列研究，旨在研究碳纖維廢絲加入構(gòu)件中的阻裂機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

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[2]黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]北京：機(jī)械工業(yè)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(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(guó)際上的發(fā)展及其在中國(guó)工程上的應(yīng)用

[C]微纖維混凝土抗裂防水技術(shù)交流會(huì)，1997.

[6]國(guó)家科技部. 國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目規(guī)劃[M] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006（1）：46-57.

[7]國(guó)家科技部.國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)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(shù)（6-5 省エネ技術(shù)1，Session 6 省エネルギー）[ J]. 日本エネルギー學(xué)會(huì)大會(huì)講演要旨集，2012，21.