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碳纖維筋，顧名思義，就是由“新材料之王”碳纖維，經(jīng)過(guò)特殊拉擠工藝，與樹(shù)脂結(jié)合制成的新型結(jié)構(gòu)材料。這種碳纖維復(fù)合材料密度只有鋼材的1/7至1/5，自身強(qiáng)度卻達(dá)鋼筋的10至15倍以上。這種形似鋼筋、性能又勝過(guò)鋼筋的碳纖維筋，憑借其質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于土木工程、海洋工程、橋梁工程等領(lǐng)域。它可以吊起一座大橋，也可以用來(lái)加固城墻；適用于高原地區(qū)，也適用于海洋環(huán)境……碳纖維筋是如何擁有如此“超能力”的？本版專題為您揭秘。本版文字、圖片、圖表由 王佳麟 陳叢磊 黃勝德 提供

產(chǎn)品名片

碳纖維如何制成碳纖維筋？

碳纖維筋是以連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)材料，與樹(shù)脂基體采用適當(dāng)?shù)某尚凸に囁纬傻陌魻钐祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料。其中，碳纖維是主要承載部分，碳纖維的拉伸強(qiáng)度及拉伸模量對(duì)碳筋的強(qiáng)度、撓度有決定性影響。而樹(shù)脂基體的作用是將碳纖維復(fù)絲粘接成束共同受力，對(duì)筋的縱向拉伸及壓縮性能起一定作用，并決定了產(chǎn)品的耐濕熱性能。

碳纖維筋具有什么特性？

碳纖維筋具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度最高逾3000兆帕，相對(duì)密度僅為鋼筋的1/5，耐疲勞性能顯著優(yōu)于鋼筋；在酸、堿、鹽和潮濕等惡劣環(huán)境中耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異；纖維筋振動(dòng)衰減特性優(yōu)于鋼材，吸能減震效果更好。

碳纖維筋主要應(yīng)用在哪里？

碳纖維筋除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的建筑物加固，因其質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞性能好，有望成為惡劣環(huán)境下傳統(tǒng)鋼制體外預(yù)應(yīng)力筋的替代品。在高層建筑、大跨度橋梁和港口碼頭及海底隧道等基礎(chǔ)設(shè)施中，傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在耐久性、腐蝕性及自身強(qiáng)度方面的劣勢(shì)明顯，碳纖維筋替代傳統(tǒng)鋼筋，可使混凝土在特殊結(jié)構(gòu)或惡劣環(huán)境下仍能發(fā)揮作用。

將數(shù)十根甚至數(shù)百根較細(xì)的碳纖維筋集結(jié)成拉索，可應(yīng)用于大跨度橋梁。這得益于碳纖維筋較高的比強(qiáng)度和比模量，將其作為懸索橋主纜，可提高橋梁的承載效率和跨徑，以及橋梁的抗風(fēng)雨振動(dòng)性能，并從根本上解決鋼絲纜索的腐蝕和疲勞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)具有輕量化、長(zhǎng)壽命特征的高性能橋梁結(jié)構(gòu)。

從碳纖維到碳纖維筋

碳纖維筋一般由拉擠工藝成型。拉擠成型是指生產(chǎn)具有恒定橫截面連續(xù)長(zhǎng)度的纖維增強(qiáng)聚合物制造工藝，其工序?yàn)閷⑻祭w維從紗架中引出，由導(dǎo)紗板按?？谛螤顚⒗w維收集成束，并將其引導(dǎo)到膠槽樹(shù)脂浴中。碳纖維有規(guī)律地通過(guò)膠槽，膠槽中的樹(shù)脂充分浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維，并通過(guò)膠槽內(nèi)部部件將纖維表面浸潤(rùn)的樹(shù)脂擠壓均勻，而后進(jìn)入成型區(qū)，即模具。

模具前一般配有預(yù)成型模，在預(yù)成型模處多余的樹(shù)脂被擠出，之后進(jìn)入加熱的成型模具。在加熱的模具中，樹(shù)脂逐步升溫固化，并按模具形狀形成直徑一致的圓形棒材。模具后一般配有加溫的后固化箱，可提高碳纖維筋的固化度和綜合性能。

固化后的碳纖維筋由牽引裝置引出并切割成所需的長(zhǎng)度或卷繞成盤。

碳纖維筋的分類

碳纖維筋按表面狀態(tài)劃分，主要有光筋（光面筋）、螺紋筋（帶肋筋）兩種。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，還有其他種類。

·光筋（光面筋）

表面光滑，通常制成碳纖維復(fù)材拉索替代鋼拉索，用于斜拉橋、懸索橋、大跨結(jié)構(gòu)。

·螺紋筋（帶肋筋）

表面有凹槽，可以增加與混凝土的結(jié)合性能，通常作為預(yù)應(yīng)力筋替代鋼筋。

客戶反饋

“過(guò)去數(shù)年，我們與上海石化在碳纖維復(fù)合材料的土木工程應(yīng)用研究領(lǐng)域深入合作、協(xié)同攻關(guān)，為我們拓展國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支撐和保障。合作的工程打造了中建八局在土木工程行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的亮麗名片。我們由衷感謝上海石化的支持和幫助，希望在今后的合作中一起抓住機(jī)遇，共同拓展國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，繼續(xù)譜寫行業(yè)發(fā)展新篇章?！?/p>

——中建八局工程研究院

上海石化：推動(dòng)碳纖維筋在土木工程中的應(yīng)用

碳纖維筋（索）因具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，作為新型先進(jìn)土木工程材料，在土木工程中的研究和應(yīng)用已有多年的歷史。相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的研究起步較晚。國(guó)內(nèi)研究人員于上世紀(jì)末開(kāi)始碳纖維復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，取得一大批創(chuàng)新性的研究成果，已完成FRP（主要是碳纖維片材）加固工程千余項(xiàng)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在新型土木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，不僅對(duì)其性能有更高的要求，而且需要進(jìn)一步降低成本。大絲束碳纖維性價(jià)比高，是降低碳纖維復(fù)合材料成本的主要方向。

針對(duì)使用單位對(duì)高性能碳纖維筋低成本的要求，上海石化于2022年10月建成投產(chǎn)國(guó)內(nèi)首套48K大絲束碳纖維全國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)線，一舉改變我國(guó)大絲束碳纖維全部依賴進(jìn)口、長(zhǎng)期供不應(yīng)求的局面，有力推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)躋身世界前列。上海石化不斷提升48K大絲束碳纖維力學(xué)性能，目前所生產(chǎn)的48K大絲束碳纖維拉伸強(qiáng)度已穩(wěn)定在4200兆帕以上，拉伸模量亦有一定幅度提高，為高性能碳纖維筋的生產(chǎn)提供了穩(wěn)定、低成本的原料。

同時(shí)，上海石化復(fù)合材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)在拉擠工藝及拉擠設(shè)備適配性配套方面進(jìn)行攻關(guān)，提高了大絲束碳纖維的強(qiáng)度發(fā)揮率及性能穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，上海石化聯(lián)合中建八局及國(guó)內(nèi)科研院所，大力推進(jìn)低成本高性能碳纖維筋在各應(yīng)用場(chǎng)景的示范性應(yīng)用。

專家視點(diǎn)：碳纖維筋市場(chǎng)前景廣闊

嘉 賓：上海石化先進(jìn)材料創(chuàng)新研究院研發(fā)專家 黃勝德

碳纖維不僅具有較高的力學(xué)性能，以其制成的復(fù)合材料筋也有優(yōu)異的耐腐蝕性能。利用碳纖維筋替代鋼筋增強(qiáng)混凝土, 不僅可以增強(qiáng)材料整體的力學(xué)性能，而且可以有效延長(zhǎng)其使用壽命，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的全生命周期設(shè)計(jì)。

碳纖維筋用作橋梁的預(yù)應(yīng)力筋、體外筋在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛使用。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例表明，碳纖維筋具有的多項(xiàng)優(yōu)良性能，是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋的潛在替代選項(xiàng)，在建筑橋梁上具有廣闊的應(yīng)用前景。其作為一種新型的復(fù)合材料，與現(xiàn)有的鋼筋相比，具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特性，在橋梁設(shè)計(jì)、施工，尤其是后期的維修加固中具有鋼筋所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)家對(duì)橋梁耐久性和全生命周期經(jīng)濟(jì)性要求日益提高，碳纖維筋材料在橋梁工程中的應(yīng)用日益廣泛。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)能急速增長(zhǎng)，碳纖維筋成本大幅下降，性價(jià)比逐步提升，將越來(lái)越被社會(huì)認(rèn)可，發(fā)展前景更加廣闊。

下一步，我們將基于現(xiàn)有技術(shù)，開(kāi)發(fā)熱塑性碳纖維筋材料，解決傳統(tǒng)熱固性碳纖維筋材料無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)二次加工的難題，形成新一代全碳纖維筋材料施工技術(shù)。在后續(xù)的市場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中，我們將重點(diǎn)針對(duì)臨水、臨海應(yīng)用，發(fā)揮碳纖維筋的優(yōu)勢(shì)，以筋索材及結(jié)構(gòu)件的形式替代傳統(tǒng)鋼筋建材，解決海水侵蝕、遠(yuǎn)海運(yùn)輸成本高的問(wèn)題。

應(yīng)用場(chǎng)景

山東青島海口路跨風(fēng)河大橋

2022年12月，中建八局采用上海石化48K大絲束碳纖維筋研發(fā)的碳纖維吊桿，成功應(yīng)用于青島海口路跨風(fēng)河大橋，是我國(guó)首個(gè)應(yīng)用大絲束碳纖維索錨體系的橋梁工程。

據(jù)了解，該橋總長(zhǎng)377米，主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉-連續(xù)梁協(xié)作體系，大橋副拱12根吊桿均為碳纖維吊桿，全部采用上海石化48K大絲束碳纖維筋。碳纖維筋具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于橋梁工程可有效解決傳統(tǒng)鋼索自重大、耐久性差、使用壽命短于橋梁的問(wèn)題，從而降低橋梁全生命周期維護(hù)成本。此外，碳纖維筋還具有超強(qiáng)長(zhǎng)期持荷性能，可顯著提高橋梁跨越能力。

此前，上海石化與中建八局緊密合作，采用碳纖維筋、碳纖維索替代原設(shè)計(jì)中的鋼筋、鋼索，廣泛用于潮濕、水下、海洋、化工等腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境，先后在京臺(tái)高速公路、重慶兩江四岸朝天門片區(qū)治理提升、某西南高原鐵路等工程項(xiàng)目中進(jìn)行示范應(yīng)用，應(yīng)用量在3萬(wàn)米以上。

相比小絲束碳纖維，大絲束碳纖維具有成本低、制備效率高等優(yōu)勢(shì)，但也存在樹(shù)脂浸潤(rùn)難度大的難題。上海石化通過(guò)攻關(guān)形成了大絲束拉擠技術(shù)，有效解決浸潤(rùn)難題，制備出包括大絲束碳纖維筋在內(nèi)的不同直徑、不同形狀的大絲束碳纖維型材系列產(chǎn)品。

江蘇連云港至淮安段氣膜結(jié)構(gòu)砂石料場(chǎng)

2023年9月，由上海石化生產(chǎn)的48K大絲束碳纖維制成的筋索，成功應(yīng)用于中建八局長(zhǎng)春—深圳高速公路項(xiàng)目連云港至淮安段氣膜結(jié)構(gòu)砂石料場(chǎng)。這是碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)氣承式膜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)系統(tǒng)中的首次應(yīng)用，也是我國(guó)土木工程領(lǐng)域迄今應(yīng)用的最長(zhǎng)碳纖維筋索。

該氣膜結(jié)構(gòu)長(zhǎng)105米、寬72米、高27米。據(jù)分析，原氣膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的位移較大。為進(jìn)一步提高臺(tái)風(fēng)期間氣膜結(jié)構(gòu)的可靠性，該工程沿氣膜長(zhǎng)度方向增設(shè)兩道碳纖維預(yù)應(yīng)力索，用于增強(qiáng)氣膜結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。碳纖維索設(shè)置于原氣膜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)外側(cè)，在氣膜內(nèi)部氣壓作用下主要承受拉力。

上海石化生產(chǎn)的48K大絲束碳纖維因拉擠成型工藝優(yōu)勢(shì)，可滿足廠商后期不同產(chǎn)品的制作應(yīng)用要求。此次工程項(xiàng)目的單根索體總長(zhǎng)度為92米、重約65千克，較普通鋼索減重約80%，安裝時(shí)可顯著降低施工難度，有效減少大型施工吊裝機(jī)械，實(shí)現(xiàn)高效安裝。

碳纖維復(fù)合材料在氣承式膜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，展現(xiàn)了碳纖維筋索的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，拓展了碳纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的新場(chǎng)景，為超大結(jié)構(gòu)工程降低能源消耗、延長(zhǎng)使用壽命奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。

上海海岸線防汛短板消除項(xiàng)目

2022年8月17日，為消除上海市海岸線防汛短板，上海石化海堤安全隱患治理項(xiàng)目中交。該項(xiàng)目完工后，上海石化海堤全線將達(dá)到兩百年一遇的高潮位（6.83米）、12級(jí)風(fēng)（32.7米/秒）防御標(biāo)準(zhǔn)。

值得一提的是，在該項(xiàng)目6次圍堤加裝的柵欄板結(jié)構(gòu)中，首次采用了由上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的碳纖維筋。該材料輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐腐蝕，尤其適用于工業(yè)腐蝕環(huán)境、海洋工程，為新型材料在建筑工藝上的應(yīng)用做出了創(chuàng)新性的嘗試，并提供了較為可靠的先行數(shù)據(jù)。

某西南高原鐵路邊坡加固工程

2022年6月，用上海石化碳纖維筋做成的新型碳纖維錨索落地某西南高原鐵路項(xiàng)目，成功應(yīng)用于高原邊坡加固工程。該工程線路全長(zhǎng)61.2千米，采用127根輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、耐久性好的碳纖維錨桿加固邊坡。新型碳纖維錨索的落地實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)碳纖維應(yīng)用于邊坡工程零的突破，是國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維預(yù)應(yīng)力錨索首次應(yīng)用在高海拔地區(qū)，具有里程碑意義。

新型碳纖維錨索所使用的碳纖維筋耐腐蝕、抗疲勞。從全生命周期的維度預(yù)估，應(yīng)用新型碳纖維錨索加固邊坡可延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)的使用壽命、降低運(yùn)維成本，顯著降低工程結(jié)構(gòu)全生命周期的能耗和碳排放。

重慶兩江四岸核心區(qū)治理提升項(xiàng)目

2021年底，重慶兩江四岸核心區(qū)治理提升項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)。該項(xiàng)目位于重慶朝天門核心區(qū)域，采用近兩萬(wàn)米上海石化碳纖維螺紋筋，用于加固臨江仿古城墻，拓展了國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用場(chǎng)景。

使用的碳纖維螺紋筋在城墻墻體施工方面體現(xiàn)了能耗低、施工方便及勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。此外，碳纖維筋有較強(qiáng)的耐腐蝕能力，有效避免了城墻反復(fù)被水浸潤(rùn)引發(fā)的連接鋼筋銹蝕的問(wèn)題，從而延長(zhǎng)仿古城墻的使用壽命、提升施工質(zhì)量。

京臺(tái)高速公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目

2021年，上海石化預(yù)應(yīng)力碳纖維筋束增強(qiáng)混凝土梁在京臺(tái)高速公路山東泰安至山東棗莊（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程第二標(biāo)段進(jìn)行了示范應(yīng)用。

相比預(yù)應(yīng)力鋼絞線混凝土梁，預(yù)應(yīng)力碳纖維筋束增強(qiáng)混凝土梁具有強(qiáng)度高、重量輕的優(yōu)勢(shì)，使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面尺寸減小，能夠減輕混凝土結(jié)構(gòu)的自重，繼而提高結(jié)構(gòu)抵抗使用荷載的有效性、增加結(jié)構(gòu)的跨越能力。同時(shí)，可有效避免由于混凝土劣化、開(kāi)裂等原因?qū)е聝?nèi)部預(yù)應(yīng)力筋腐蝕、結(jié)構(gòu)承載力降低等問(wèn)題，有效延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的使用壽命。