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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)過特殊拉擠工藝，與樹脂結(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、性能又勝過鋼筋的碳纖維筋，憑借其質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)勢，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)度及拉伸模量對碳筋的強(qiáng)度、撓度有決定性影響。而樹脂基體的作用是將碳纖維復(fù)絲粘接成束共同受力，對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，抗拉強(qiáng)度最高逾3000兆帕，相對密度僅為鋼筋的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)雨振動性能，并從根本上解決鋼絲纜索的腐蝕和疲勞問題，實現(xiàn)具有輕量化、長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)長度的纖維增強(qiáng)聚合物制造工藝，其工序為將碳纖維從紗架中引出，由導(dǎo)紗板按?？谛螤顚⒗w維收集成束，并將其引導(dǎo)到膠槽樹脂浴中。碳纖維有規(guī)律地通過膠槽，膠槽中的樹脂充分浸潤增強(qiáng)纖維，并通過膠槽內(nèi)部部件將纖維表面浸潤的樹脂擠壓均勻，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)成型模處多余的樹脂被擠出，之后進(jìn)入加熱的成型模具。在加熱的模具中，樹脂逐步升溫固化，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)實際應(yīng)用場景，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。”

——中建八局工程研究院

上海石化：推動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，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)國家，我國對碳纖維復(fù)合材料的研究起步較晚。國內(nèi)研究人員于上世紀(jì)末開始碳纖維復(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，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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。大絲束碳纖維性價比高，是降低碳纖維復(fù)合材料成本的主要方向。

針對使用單位對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)國內(nèi)首套48K大絲束碳纖維全國產(chǎn)化生產(chǎn)線，一舉改變我國大絲束碳纖維全部依賴進(jìn)口、長期供不應(yīng)求的局面，有力推動了國產(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，上海石化復(fù)合材料研發(fā)團(tuán)隊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)用場景的示范性應(yīng)用。

專家視點：碳纖維筋市場前景廣闊

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，而且可以有效延長其使用壽命，實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的全生命周期設(shè)計。

碳纖維筋用作橋梁的預(yù)應(yīng)力筋、體外筋在國外已經(jīng)得到廣泛使用。國內(nèi)外應(yīng)用實例表明，碳纖維筋具有的多項優(yōu)良性能，是鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋的潛在替代選項，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、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。隨著國家對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，隨著國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能急速增長，碳纖維筋成本大幅下降，性價比逐步提升，將越來越被社會認(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法在現(xiàn)場二次加工的難題，形成新一代全碳纖維筋材料施工技術(shù)。在后續(xù)的市場推進(jìn)過程中，我們將重點針對臨水、臨海應(yīng)用，發(fā)揮碳纖維筋的優(yōu)勢，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)海運輸成本高的問題。

應(yīng)用場景

山東青島?？诼房顼L(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?？诼房顼L(fēng)河大橋，是我國首個應(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377米，主橋為獨塔斜拉-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，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目中進(jìn)行示范應(yīng)用，應(yīng)用量在3萬米以上。

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，但也存在樹脂浸潤難度大的難題。上海石化通過攻關(guān)形成了大絲束拉擠技術(shù)，有效解決浸潤難題，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

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)用于中建八局長春—深圳高速公路項目連云港至淮安段氣膜結(jié)構(gòu)砂石料場。這是碳纖維復(fù)合材料在我國氣承式膜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)系統(tǒng)中的首次應(yīng)用，也是我國土木工程領(lǐng)域迄今應(yīng)用的最長碳纖維筋索。

該氣膜結(jié)構(gòu)長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)一步提高臺風(fēng)期間氣膜結(jié)構(gòu)的可靠性，該工程沿氣膜長度方向增設(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，可滿足廠商后期不同產(chǎn)品的制作應(yīng)用要求。此次工程項目的單根索體總長度為92米、重約65千克，較普通鋼索減重約80%，安裝時可顯著降低施工難度，有效減少大型施工吊裝機(jī)械，實現(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)了碳纖維筋索的獨特優(yōu)勢，拓展了碳纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的新場景，為超大結(jié)構(gòu)工程降低能源消耗、延長使用壽命奠定了應(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目中交。該項目完工后，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級風(fēng)（32.7米/秒）防御標(biāo)準(zhǔn)。

值得一提的是，在該項目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目，成功應(yīng)用于高原邊坡加固工程。該工程線路全長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現(xiàn)了國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用于邊坡工程零的突破，是國產(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工程結(jié)構(gòu)的使用壽命、降低運維成本，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)治理提升項目

2021年底，重慶兩江四岸核心區(qū)治理提升項目開工建設(shè)。該項目位于重慶朝天門核心區(qū)域，采用近兩萬米上海石化碳纖維螺紋筋，用于加固臨江仿古城墻，拓展了國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用場景。

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、施工方便及勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點。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)被水浸潤引發(fā)的連接鋼筋銹蝕的問題，從而延長仿古城墻的使用壽命、提升施工質(zhì)量。

京臺高速公路改擴(kuò)建工程項目

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，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，可有效避免由于混凝土劣化、開裂等原因?qū)е聝?nèi)部預(yù)應(yīng)力筋腐蝕、結(jié)構(gòu)承載力降低等問題，有效延長橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的使用壽命。