碳纖維廢絲混凝土現(xiàn)狀及研究進展

聶紅賓　譚平

基金項目：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，愛迪生隨后用鎢絲代替了碳絲燈泡，1950年，美國聯(lián)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(qū)體。1958年，UCC的碳纖維轉(zhuǎn)化率只有20%，無法實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。1959年，日本大阪國家工業(yè)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(zhuǎn)化率可以達到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)會技術(shù)開發(fā)獎[1]。

中國研究碳纖維起步比較早的，在1962年，中科院長春應(yīng)用化學(xué)所李元任組長的“PAN基碳纖維的研制”課題開始啟動。標(biāo)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(chǎn)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(shè)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(dǎo)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(fā)展研究計劃。

各國學(xué)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(huán)絲或者再生絲）也展開了相應(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)者針對日本、美國等國內(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)公司率先開發(fā)輕質(zhì)碳纖維復(fù)合板，建成了巴格達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)時因外界環(huán)境變化而引起開裂[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混凝土外墻墻板。使用一段時間后發(fā)現(xiàn)，碳纖維板與混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)者周振清[13]對碳纖維混凝土的導(dǎo)電性展開研究，19 9 9年，學(xué)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(xué)者趙彤[15]、吳剛[16]對碳纖維修復(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)者周茗[21-22]如采用快速凍融循環(huán)試驗研究纖維種類及摻量對混凝土抗凍性的影響。2019年，學(xué)者趙柏冬[23]基于相對動彈性模量、質(zhì)量損失率對C40纖維質(zhì)量分數(shù)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(huán)境下阻裂及耐久性能研究已經(jīng)成為一個熱點。

而對于碳纖維廢絲混凝土的研究，我國學(xué)者東南大學(xué)吳剛[24]教授在2019年12月全國碳纖維標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)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(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]教授對碳纖維廢絲制備的混凝土構(gòu)件展開了一系列研究，旨在研究碳纖維廢絲加入構(gòu)件中的阻裂機理。

參考文獻

[1]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M]北京：科學(xué)出版社，2000.

[2]黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]北京：機械工業(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.纖維混凝土在國際上的發(fā)展及其在中國工程上的應(yīng)用

[C]微纖維混凝土抗裂防水技術(shù)交流會，1997.

[6]國家科技部. 國家重大基礎(chǔ)研究項目規(guī)劃[M] 中國科學(xué)技術(shù)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(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)會大會講演要旨集，2012，21.