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让混凝土变“聪明”的材料——碳纤维

默然
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楼主 发表于:2017-11-29 10:44:09
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1.让混凝土变“聪明”的材料——碳纤维


探知混凝土状态,最核心的就是要探知混凝土内部的应力变化。为此,科学家们在混凝土中掺加了水泥基渗透结晶防水材料(CCCW),和具有导电相的碳纤维,使得成型后的混凝土能够具有稳定的应力应变,以及温度的感知功能,成为“自感知混凝土”。


由于掺加了导电的碳纤维,自感知混凝土具有一定的导电性。当混凝土内部的应力应变发生改变时,混凝土内部的微裂纹就会扩张或闭合,进而影响碳纤维的形态,使得混凝土的导电性发生改变。只要测量某段混凝土的导电性,就可以获知这段混凝土的应力和损伤状态。


除了探测应力外,碳纤维的导电性还被用来探测结构物温度的变化。当碳纤维混凝土的两端存在温差时,就会产生电位差,热端为正极,冷端为负极。直接测量混凝土的电位差,就可以获知混凝土内部的温度变化。这对于研究混凝土内部的温度场,进而有针对性地控制其温升、减少大体积混凝土的裂缝发生十分有帮助。

(碳纤维的微观结构)


混凝土能够变“聪明”,很大程度上要归功于这种特殊的材料——碳纤维。由于碳纤维具有导电性和温敏性,混凝土内部的各项参数才能传达出去。事实上,碳纤维还不止能让混凝土变聪明。研究表明,采用碳纤维的混凝土比普通混凝土的抗拉强度提高了2-4倍,极限拉应变提高20-40倍,使得原本脆性的混凝土具有了良好的弹塑性。

(高延性的混凝土)


然而,我们平时听到的碳纤维,都是在一些“高大上”的场合。不是什么航空航天领域,就是精密元件上,再不济,也是超轻型运动器材、钓鱼竿这种小装置上。这样的碳纤维一定价格不菲,用在“傻大黑粗”的混凝土里,成本如何能接受得了呢?最后的成本难道不会比传感器还高吗?


的确,在碳纤维刚刚推广使用的20世纪60年代初,它确实是一种非常高端的材料。当时,对于碳纤维这种军民两用技术,西方国家对中国进行了高度技术封锁。到了70、80年代,国家投入了巨资研发碳纤维,但效果仍然不好。产品质量不如日本的同时,成本却大幅度高于日本,技术差距越拉越大,这种窘境一直持续到了2005年。后来,在师昌绪老先生的极力推动下,中国的碳纤维技术才真正算是迅速发展了起来。


2.中国让碳纤维迅速“白菜化”


中国一朝进入了碳纤维的市场之后,就迅速打破了西方国家在碳纤维行业的绝对垄断。虽然在高端碳纤维领域,我们仍然与世界领先水平有很大的差距;但在工程中常用的T800型碳纤维中。我们已经超越了日本的同型碳纤维。


相对于东丽T800H碳纤维,国产T800碳纤维的表面较为粗糙,且这种粗糙较为规则,沿纤维轴向分布着更密集的沟槽,且沟槽的深度也较深,这种形貌特征有利于提高国产T800碳纤维与其附着材料的咬合作用,进而提高复合材料的界面性能。换句话说,国产的碳纤维更不易滑脱。

(进口碳纤维表面形貌(上)与国产碳纤维表面形貌(下)差异)


此外,国产碳纤维的氧碳原子比也更高,这进一步提高了复合材料的界面性能,使得国产碳纤维自身的强度也比进口碳纤维更高。更重要的是,国产碳纤维厂家将T800碳纤维的价格一举降低到了国际价格的三分之一,仅为350元/公斤,这使得曾经只属于天上的碳纤维飞入了寻常百姓家,让呆笨的混凝土也用得起了。


3.更“懒”一点,让混凝土能够自我治愈


仅仅能够探知压力还不够,科学家们还想要更“懒”一点,试图让混凝土自己生了病,自己就能治好,连找人修复的事儿都省了。


混凝土作为一种脆性材料,它的裂缝是本身力学性质决定的,不可避免。对于普通混凝土,外界的水分和二氧化碳也可以沿裂缝进入混凝土,并与水泥组分结合形成碳酸钙结晶,进而让裂缝愈合。然而,这一过程通常极为缓慢,往往还没等裂缝愈合,外界的有害离子就已经顺着裂缝侵入混凝土内部,破坏浆体和钢筋了。


不过,这种渗透结晶的原理倒是可以加以利用来修复混凝土。科学家们在混凝土中掺入活性外加剂,或在结构的外部涂敷一层含有活性外加剂的涂层。在一定的养护条件下,以水为载体,通过渗透作用,特殊的活性化学物质在混凝土的微孔和毛细孔中传输,帮助未完全水化的水泥颗粒继续水化。一般状态下,这些活性化学物质处于休眠状态;混凝土一旦开裂,有水渗入时,就会迅速水化生成新的结晶,对裂缝自动填充,实现自修复。


还有人尝试将混凝土修复材料封装在胶囊或者玻璃空心纤维管中。在混凝土发生较大变形时,胶囊或纤维管会发生破裂,修复剂流出,很快裂口即可重新粘合。同济大学的研究更为神奇:它复合了自然愈合、基体增强和有机物释放等机制,在混凝土中形成了自增强、自愈合网络,使得混凝土发生破坏之后重新愈合时甚至可以提高混凝土材料的性能。


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