纤维素酶及其应用综述（精选11篇）
纤维素酶及其应用综述 第1篇
全世界植物每年生成的干物质高达150×109t, 植物纤维素是其中主要物质成分, 总量高达85×109t, 是地球上分布最广、蕴藏量最丰富的物质之一, 也是最廉价的可再生资源。自然界中植物纤维素主要是被微生物降解成有机碳源利用, 成为生物圈中最大的物质流之一。中国的纤维资源也十分丰富, 仅农作物废弃物中的稻壳、秸秆、皮壳等每年就可多达0.7×109t[6]。目前, 这些原料大部分被焚烧, 利用率较低 (仅有10%左右) , 资源严重浪费, 且存在环境污染的问题。因此, 研究如何利用微生物分泌纤维素酶高效分解植物纤维素为有机碳源成为热点关注领域, 经济价值和生态价值意义非凡。
1 里氏木霉产纤维素酶的研究
1.1 里氏木霉
早在1906年纤维素酶从蜗牛消化液中被分离出来后, 全球就开始了对纤维素酶的广泛研究。纤维素酶的来源非常广泛, 昆虫、细菌、放线菌、真菌、动物体内都能产生。直到20世纪50年代初, REESE和MANDEL[7]发现里氏木霉 (Trichoderma reesei) 所产的纤维素酶体系效果好, 具有商业化应用的可能性。里氏木霉是一种好氧的丝状真菌, 为多细胞真核微生物, 其分泌的纤维素酶是胞外酶, 经初提和分离纯化就可得到纤维素酶制剂。由于里氏木霉产纤维素酶量高、稳定性好、适应性强、且可以通过物理和化学诱变获取高产菌株, 便于生产和管理, 因此研究和利用价值突出[8]。
1.2 纤维素酶复合体组成
里氏木霉具有一套完整的降解纤维素为可溶性糖的酶系, 众多研究表明, 其分泌的纤维素酶是由三大酶体系所组成的酶复合体:内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶。内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶将纤维素转化成纤维二糖, 而β-葡萄糖苷酶将纤维二糖转化成还原性糖。在这3种酶的作用下, 纤维素被完全降解为葡萄糖。迄今为止, 研究学者已发现的内切葡聚糖酶有5种:Cel7B (EGⅠ) [9]、Cel5A (EGⅡ) [10]、Cel12A (EGⅢ) [11]、Cel45A (EGⅤ) [12]和Cel61A (EGⅣ) [13];外切葡聚糖酶 (也称纤维二糖水解酶) 有2种:Cel6A (CBHⅡ) [14]和Cel7A (CBHⅠ) [15];β-葡萄糖苷酶有2种:BGLⅠ[16]和BGLⅡ[17]。
1.3 纤维素酶复合体的酶活机制
国内外学者广泛接受的纤维素酶降解底物机制是“内切-外切”的协同机制, 内切葡聚糖酶主要作用于纤维素内部的非结晶区, 随机水解β-14-糖苷键, 将长链纤维素分子截短, 产生大量含非还原性末端的小分子纤维素;外切葡聚糖酶主要作用于纤维素线状分子末端, 水解β-14-糖苷键, 且每次都是切下1个纤维二糖分子, 故又称为纤维二糖水解酶;β-葡萄糖苷酶主要是将纤维二糖和寡糖水解成葡萄糖分子[18,19,20]。
纤维素酶复合体中的酶活机制与功能以内切酶研究最为详细。除了WARD等[11]所发现的Cel12A (EGⅢ) 外, 4种内切葡聚糖酶在结构上具有相似性, 都含有可与纤维素相结合的绑定域 (CBM) 和催化域, 而Cel12A (EGⅢ) 仅含有一个催化核心结构域。CBM主要作用是使酶绑定 (结合) 于纤维素的表面, 使其酶的催化域能更好地接近纤维素分子, 从而有效地水解纤维素, 且CBM在外切葡聚糖的启动及持续水解中均起到非常重要的作用[21]。5种内切酶虽都是将长链纤维素分子截短, 但其相应的酶活机制与功能均有差异, 其中Cel7B (EGⅠ) 和Cel5A (EGⅡ) 在里氏木霉的内切酶中是分泌最多, 也是研究最为广泛的。
在降解微晶纤维素 (Avicel) 和水溶性磷酸纤维素 (PASC) 的试验中, 发现Cel7B (EGⅠ) 、Cel5A (EGⅡ) 、Cel45A (EGⅤ) 和Cel45A (core) 对这2种纤维素均具有水解作用, 但Cel12A (EGⅢ) 却很难水解此2种纤维素[3]。当分析Avicel、PASC和CMC (羧甲基纤维素) 的降解产物时, 发现Cel7B (EGⅠ) 能把这3种底物水解为葡萄糖和纤维二糖;Cel5A (EGⅡ) 和Cel12A (EGⅢ) 作用于此3种底物时, 其降解产物不但含有单糖和二糖, 还含有三糖;而Cel45A (EGⅤ) 水解以上3种底物的主要产物是纤维四糖, 且所降解的产物中却没有葡萄糖和纤维二糖[10]。
一些研究学者还对内切葡聚酶的纤维三糖、纤维四糖和纤维五糖的动力学常数进行了研究, 发现Cel12A (EGⅢ) 根本就不能水解纤维三糖, 且此酶在水解纤维四糖和纤维五糖时的动力学常数明显比Cel5A (EGⅡ) 和Cel7B (EGⅠ) 低;Cel7B (EGⅠ) 也仅是快速水解纤维三糖的内切葡聚酶;Cel45A (core) 则不能降解以上3种纤维。在4种内切葡聚酶水解β-葡萄糖和葡甘露聚糖试验中还发现, Cel12A (EGⅢ) 水解β-葡萄糖和葡甘露聚糖的能力稍微弱于Cel7B (EGⅠ) 和Cel5A (EGⅡ) ;Cel45A (EG V) 在水解葡甘露聚糖比水解β-葡聚糖能力上要强的多, 且水解葡甘露聚糖的能力也比其他3种内切酶高, 亦即说明Cel45A (EGⅤ) 是能水解葡甘露聚糖而不是严格的内切酶性质[22];Cel61A (EGⅣ) 主要作用底物是羧甲基纤维素, 当作用于β-葡聚糖和无定型的纤维素时, 水解产物也都主要是纤维二糖, 且在β-葡聚糖的水解中也有少量的葡萄糖和纤维三糖[23]。
外切葡聚糖酶 (CBI) 是里氏木霉表达最多的纤维素酶, 也是最主要的纤维素酶。里氏木霉主要表达2种外切葡聚糖酶:Cel6A (CBHⅡ) 和Cel7A (CBHⅠ) 。纤维素酶复合体中两大外切葡聚酶在结构和功能上也有差别:Cel7A (CBHⅠ) 是主要作用于微晶纤维素的还原末端, 而Cel6A (CBHⅡ) 主要作用于微晶纤维素的非还原末端;在结构上, CBH I中含有4个表面循环 (surface loop) , 而CBHII却只含有2个表面循环。这些结构为外切酶水解纤维素的还原与非还原末端提供了主要的剪切位点, CBHⅠ的三维结构被证实通过4个表面循环结构水解纤维素产物只有纤维二糖, 而其他的水解产物如三糖或单糖是最初的降解中被其他酶水解的产物[24]。此外, 里氏木霉所分泌的β-葡萄糖苷酶很少, 而β-葡萄糖苷酶是主要限制分解纤维素降解的因素[25]。
2 增强里氏木霉产纤维素酶的方法
纤维素酶的酶解效率不是很高, 为了进一步提高酶解效率可从两方面出发:1) 菌株, 选育出产纤维素酶高且分解效率好的菌株;2) 发酵条件的优化。
2.1 里氏木霉的选育
目前, 在菌株选育上普遍采用2种方案:1) 通过人工诱变获得高效分解纤维素的菌株;2) 通过基因工程改造。
2.1.1 菌株的诱变筛选
诱变的方法一般是传统的物理诱变 (紫外线) 和化学诱变 (亚硝基胍) [26,27]。为了提高酶的产量, 从20世纪60年代末开始, 许多研究者从里氏木霉野生菌株QM6a出发, 重点集中在对其直接诱变和对高产菌株的筛选上, 相继获得许多优良的突变株, 其中研究最多、应用最广泛的有3种:Rut C30、QM9414和MCG77[28,29]。MCG77虽然提高了酶活, 其滤纸酶活相较于出发菌株提高了55.35%, 但其仍受到代谢物阻遏。覃玲灵[30]对Rut C30菌株进行紫外诱变, 获得一株突变株A13, 经6代连续培养后, 其酶活保持稳定, 遗传稳定性较好。邬敏辰和李剑芳[31]以里氏木霉WXR-8为出发菌株, 经紫外和亚硝基胍诱变处理后, 得到一株抗纤维二糖阻遏突变株RM-27, 其纤维素滤纸酶酶活提高了64.5%。张晓烜和王傲雪[32]利用紫外线、亚硝酸盐和硫酸二乙酯对里氏木霉40359菌株进行诱变, 得到一株遗传稳定性好的菌株YB40359, 其FPA酶活提高了87.12%, CMC酶活提高了58.66%。
2.1.2 基因工程改造
从纤维素酶复合体中分离检测各个单组酶较为困难, 而通过基因克隆技术则能有效检测单组酶特性, 并可检测出酶蛋白中的功能区及二级或三级结构, 如两大外切葡聚糖酶 (CBH I和CBHⅡ) 的基因是对里氏木霉cbh1和cbh2基因的研究中分离的[14,15];内切酶EGⅡ和EGⅢ也是分别通过基因eg2和eg3得以发现[10,11]。
目前对非复合体纤维素酶的基因工程改造主要有三大研究方向:1) 利用分子生物学技术, 深入了解各种纤维素酶结构和催化机理方面的知识, 从而得以合理运用每一种纤维素酶;2) 在随机突变或分子重组中改进相应酶的结构或赋予酶的新属性, 定向筛选所需的纤维素酶;3) 针对某些不可溶性的纤维素底物而重组新型纤维素酶的混合物, 以此来提高对纤维素水解速率[33,34,35,36]。
2.2 里氏木霉产纤维素酶的诱导剂
纤维素酶属于诱导酶, 其必须在诱导剂的作用下才能大量的表达。不同的诱导剂对里氏木霉表达纤维素酶的诱导效果和使用价值不同。常见的诱导剂主要是一些糖类, 包括单糖、寡糖和聚糖等, 其中以纤维素和槐糖的诱导效果最好, 乳糖和纤维二糖次之, 而山梨糖诱导能力较为独特, 具有特殊的价值。此外, 还有其他的一些诱导剂也可以用于里氏木霉产纤维素酶的研究, 如纤维三糖、木聚糖、β-龙胆二糖、水杨苷和糖蜜等[37]。
2.3 产酶工艺条件优化
为了提高里氏木霉的纤维素酶解效率, 仅仅通过人工选育获得高产菌种还不够, 仍需对该菌种的生长需求和产酶条件进行分析, 从而进一步优化纤维素酶生产工艺。
普遍认为, 里氏木霉产纤维素酶常用的温度范围是27~28℃, 发酵前的温度应稍高, 有利于菌株生长, 进入产酶期则要比生长期的低, 利于酶稳定性, 延长细胞产酶期, 但经过诱变或定向改变了的里氏木霉, 需在不同的温度下通过测定酶活力来确定最适温度。最适p H是4.5~5.5, 在实际应用中要将酶与不同p H缓冲液配制的底物混合, 以确定最佳酶的活性。里氏木霉是好氧菌, 因此应保证一定的溶氧量, 同时根据不同生长期所需氧量的不同, 及时调整溶解氧, 一般是对数生长期耗氧最多。为了便于提取纤维素酶, 在生产中还需加入Tween80等表面活性剂, 以增加细胞的通透性[38,39,40]。
3 里氏木霉产纤维素酶的应用
3.1 果蔬业
从里氏木霉提取的纤维素酶能水解可溶性果胶和细胞壁成分, 有利于果汁及蔬菜汁的提取, 有效维持了果蔬的原有香味, 且可促进人体对果蔬营养物质的吸收[40];纤维素酶能将米糠等含有淀粉类物质降解为低聚糖, 而低聚糖具有较强的抗肿瘤、提高免疫力、降低血糖、防病保健和提供营养等功能[41]。
3.2 酿酒业
木霉酶制剂应用于酿酒业中具有很好的成本/性能比, 是其他酶制剂所无法比拟的[42]。美国、丹麦、印度及俄罗斯等诸多国家都有开展纤维素酶在酿酒中的相关应用研究, 其中丹麦等国将出酒率提高了1%~3%, 以黑麦为原料则可提高5%[43]。CANALES等[44]发现β-葡聚糖苷酶能水解β-13-葡萄糖, 降低了粘度, 有益于葡萄糖释放, 有效地改善了啤酒的发酵、过滤和质感。
近年来, 纤维素酶在中国酿酒行业中的生产应用也逐步扩大, 优越性突出:1) 利用米糠等低值含淀粉原料来增加碳源, 有效提高出酒率;2) 破坏间质细胞壁的结构, 有利于细胞中淀粉的释放, 提高淀粉利用率;3) 降低粉浆、糖化醪和蒸煮醪的粘度, 提升酒的口感[45]。
3.3 饲料工业
纤维素酶能部分水解木质纤维素材料、促进谷物脱皮及β-葡聚糖的水解, 有助于饲料原料的乳化性, 使得纤维素于肠道中粘度下降, 既提高饲料营养的吸收, 又有益于保护养殖动物的胃[46]。在饲料工业中, 纤维素酶制剂能提高饲料的可消化率[47]。因此, 纤维素酶和半纤维素酶在动物饲料行业中的应用潜力巨大。
3.4 纺织品加工业
纤维素酶也越来越多的应用于家用环保洗衣粉, 提高洗涤剂的性能, 改善衣服外观和提升色彩亮度。如内切葡聚酶含量高的纤维素酶, 能从牛仔布织物中去除多余的染料, 软化而不损害纤维织物, 此外还能去除棉花和非牛仔布的表面多余微纤维, 增加棉织物的柔软性和恢复颜色亮度[48]。
3.5 造纸业
纤维素酶能在造纸时水解部分的碳水化合物分子, 除去纤维素表面的油墨, 也可降解造纸厂废水中的胶体等污染物[49]。如木聚糖酶、甘露聚糖酶还可以通过再沉淀漂白牛皮纸中的木聚糖和去除木质素-碳水化合物复合体, 减少了氯 (Cl) 在漂白过程中使用, 从而降低其对环境的污染程度[50]。
3.6 农业
农业上利用纤维素酶主要是用来降解植物细胞壁及纤维素成分。如β-13葡萄糖苷酶或β-16葡萄糖苷酶可抑制有害微生物孢子萌发和真菌生长, 有效防御病原体生物和其他疾病的侵害[51];木霉属等菌株也能提高种子发芽率, 促进植物生长和开花, 还有助于改善根系, 增加农作物的产量[52];纤维素酶的CBD和纤维素酶复合体能使蛋白、酶和抗体等的亲和、纯化、固定及相互间融合;里氏木霉所产生的CBHⅠ启动子能表达外源性蛋白和酶, 可提高酶和抗体的产出[53]。
3.7 医药业
纤维素酶所含的β-葡萄糖苷酶可以水解β-D-葡萄糖苷键而释放出β-D-葡萄糖和相应的配基。β-D-葡萄糖是生物体糖代谢中的重要物质, 具有维持生物体正常生理功能的作用。β-葡萄糖苷酶的缺失和不足都会使巨噬细胞溶酶体无法分解葡萄糖苷-N-脂酰鞘氨醇而积累, 出现血小板减少、贫血、肝脾肿大、骨骼病变等症状, 引起戈谢病 (Gaucher disease) , 补充β-葡萄糖苷酶可以有效地治疗戈谢病[54,55,56]。
葡萄糖苷酶是AIDS病毒合成糖蛋白时所需的重要酶之一, 降低β-葡萄糖苷酶活性可以有效抑制病毒的复制和繁殖, 因此β-葡萄糖苷酶也被用于抗AIDS病毒药物的筛选[49]。
4 展望
可持续水产养殖业的发展将会加强对引起水体富营养化的氮 (N) 、磷 (P) 等物质处理, 有机碳促进氮的转化效果明显, 这必将增加水产养殖业对有机碳源的需求。如近年来, 生物絮团技术[4]在水产养殖业成效显著, 该技术核心措施之一就是大量使用有机磷源, 促进水体中异养细菌的生长, 利用细菌吸收转化氮源, 从而达到维持水质、提高生物安全性、降低饵料系数的效果, 是未来水产养殖业重点推广的技术之一。纤维素酶在降解稻草、秸秆、稻壳中的纤维素, 提供价廉的有机碳源方面具有巨大的潜力。纤维素酶中的葡萄糖苷酶是将纤维素水解成葡萄糖的关键酶, 但目前普遍存在葡萄糖苷酶活力较低、产糖效率不高的问题。筛选高效纤维素分解菌, 确定纤维素酶的发酵条件, 是利用稻草、秸秆、稻壳中纤维素的关键。因此, 利用诱导和基因工程等技术手段选育高效纤维素酶产生菌, 配套优化发酵生产工艺, 是构建适合于规模化生产低价有机碳源的关键所在。
摘要：有机碳是加快驱动氮循环的最主要物质之一, 协助降解养殖水环境中的有毒氮污染, 是维护养殖水环境的重要物质。地球上分布最广、蕴藏量最丰富的可再生资源之一是纤维素, 而纤维素酶能降解纤维素的β-1, 4-葡萄糖苷键以生成葡萄糖或其他可溶性糖, 可以作为水产养殖所用的有机碳。研究表明, 里氏木霉 (Trichoderma reesei) 所分泌的纤维素酶具有产酶量高、稳定性好、适应性强等优点, 是目前应用最为广泛的纤维素酶。文章综述了里氏木霉所产纤维素酶的结构、组分及酶活机制, 介绍了里氏木霉菌种人工选育及基因工程改造等研究, 展望了纤维素酶在食品、纺织、饲料、农业等多种行业的应用。
纤维素酶及其应用综述 第2篇
纺织用纤维素酶、果胶酶高产菌株选育与固态发酵及其应用
以实验室保藏菌株黑曲酶T-68经紫外诱变后,初筛,复筛,获得一株黑曲酶TM265具有同时产纤维素酶和果胶酶的能力,最适培养基组成为:麸皮6 g;稻草粉3 g,橘皮粉1 g,水11 g,于30℃条件下培养4 d,纤维素酶活力达到3 672 u/g(干基),果胶酶活力达到2 878 u/g(干基),适合用作纺织酶制剂.
作 者：王龙英 费笛波 皮雄娥 WANG Long-ying FEI Di-bo PI Xiong-e 作者单位：浙江省农业科学院,植物保护与微生物研究所,浙江,杭州,310021刊 名：浙江农业学报 ISTIC PKU英文刊名：ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS年，卷(期)：18(4)分类号：Q814 Q815关键词：黑曲酶 诱变育种 固体发酵 纤维素酶 果胶酶
纤维素酶及其应用综述 第3篇
关键词：碳纤维 加固 粘贴 桥梁 结构
自上世纪七十年代末初期，欧洲进行纤维增强复合材料（FRP）在土木工程应用研究以来，具有极好的比强度和比刚度、优秀耐腐蚀性的纤维增强复合材料已广泛用于混凝土结构的粘贴加固工程，形成了纤维增强复合材料补强加固已有混凝土桥梁的新技术，其中碳纤维增强复合材料（CFRP）应用更多。混凝土桥梁结构的粘贴碳纤维板技术在加固中具有不中断交通，且工期短，人工少的优点。所以扩展该项技术开展了配有大偏心CFRP体外束预应力混凝土连续梁桥体系应用研究，是本世纪新型桥梁建设方向之一。
一、碳纤维材料的基本特性
碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。
1、碳纤维片材；
片材碳纤维材料的拉伸强度在（2400～3400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为240MPa相比，片材的拉伸强度很高。
片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。
相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。
2、配套树脂类粘结材料；
混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后者用于碳纤维板粘贴。
浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。
就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（10～40）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约15小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为45分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作。
二、粘贴碳纤维片材加固施工技术
1、面层处理；
混凝土表面的劣化层（例如风化、游离石灰、脱模剂、剥离的砂浆、粉刷层、污物等）必须用砂轮机去除并研磨。用空气喷嘴、砂轮机与毛刷将待补强区的粉尘及松动物质会除，用水洗净后，必须使其充分干燥。
2、断面修复；
将混凝土面层的不良部分（例如剥落、孔隙、蜂窝、腐蚀等）清除。若有钢筋外露情形，必须先做好防蚀处理，再以强度相等或大于混凝土的环氧树脂砂浆材料修补。裂缝以环氧树脂灌注。裂缝或打除部分若有漏水情形时，应先做好止水、导水处理。
3、表面修正；等）以切割机或砂轮机将其铲除并使其平滑。凹陷部分（打除部分）以环氧树脂或树脂砂浆填补。转角处需研磨至凸角R＝20毫米（R一曲率半径）以上，凹角则以树脂砂浆填补。
4、底层涂料；
气温在5摄氏度以下，雨天或RH＞95％时，不可施工。施工范围的温度、湿度确认后，选用适当的底层涂料。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿带保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。
5、碳纤维片材的粘贴；
纤维贴片预先以剪刀、刀子依所设计的尺寸大小裁好。依使用量剪裁尺寸、长度在2米以内最适当。为防止保管期间的破损，裁剪数量只裁所需使用的数量。施工面底漆的干燥程度可以指触确认。底漆施工超过1星期以上时，应以砂轮机磨平。
将环氧树脂的主剂（A剂）和硬化剂（B剂）依所规定的配比放置于拌合桶中，使用电动搅拌机，使其均匀的混合（约2分钟）。一次的拌合量为在可使用时间的施工量，超过可使用时间的材料，不可使用。
环氧树脂用毛刷滚轮平均涂布（涂布底漆上）。涂布量隨施工面的表面粗糙程度会有所变化，转角部分要多涂。强化纤维粘贴于树脂涂布面后，以毛刷滚轮和橡皮刮刀顺着纤维方向用力推平，使树脂浸透并去除气泡，纤维（长向）方向的搭接长度至少要留10厘米，短向则不用留。粘贴后放置30分钟，若纤维有浮出或脱线情形发生时，以滚轮或橡皮刮刀压平修正。
两层以上的强化纤维相叠贴时，重复步骤。施工现场空气应十分流通，严禁烟火。施工时必须要穿戴保护装备（口罩、护目镜及橡皮手套）。
三、粘贴碳纤维片材加固桥梁的应用
粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁技术在欧洲、美国、加拿大和日本已经广泛应用，并且进行了深入的研究。我国在这方面的工程实践也是在二十世纪九十年代中期才开始，就我国公路混凝土桥梁有关粘贴碳纤维片材加固新技术应用推广的问题做如下讨论。
1、粘贴碳纤维片材加固混凝土桥梁是一项新技术，使得粘贴加固法成为公路桥梁快速加固方法，适合公路桥梁加固期间尽量不影响桥梁正常营运的要求。碳纤维片材轻、现场粘贴无需重型设备、施工便利，便于桥下的高空作业，可在公路桥梁上推广应用。
2、对于公路旧混凝土桥梁的加固方法，在工程上应用效果较好的是综合法，即以某种加固方法为主，辅以其它方法，这必须依照桥梁现场的外观检查和技术状况评定，加固设计要求而定。目前，粘贴碳纤维片材加固方法往往辅以裂缝灌浆、裂缝封闭等方法。
3、我国目前在工程中采用的碳纤维片材材料及配套树脂类粘结材料，是以国外进口材料为主，国产产品较少，且产品的匀质性及低树脂含量等技术指标上还有差距。这样，进口的材料单价就显高，这往往影响技术的经济决策。因此，除了应尽快采取先进技术及措施使国产产品提高质量外，在碳纤维片材加固技术应用中，应当更多从加固效果，耐久方面来考虑桥梁加固后正常运营效益与经济性。
4、在国外先进国家的科学研究工程实践基础上，结合我国公路旧桥的加固维修特点与经验，尽快编制碳纤维片材加固技术的指南，以指导工程应用。碳纤维片材加固补强公路混凝土桥梁是粘贴加固新技术，需要结合我国的工程特点进行深入研究和不断提高，使我国公路旧桥加固维修技术达到新的水平。
粘贴碳纤维结构加固技术是一种新型的加固技术，已经得到较为广泛的应用，并已产生较大的经济效益；在混凝土结构的加固中，碳纤维布主要是分担钢筋的受力，即碳纤维布的主要作用是提高结构构件的抗拉强度，那么在其它的结构中，碳纤维布比较优良的起到了加强抗拉强度的作用。
参考文献：
[1]叶列平,赵树红,李全旺.碳纤维布加固混凝土柱受剪承载力计算[J].建筑结构学报,2000(2):69-70.
[2]岳清瑞.我国碳纤维增强材料(CFRP)加固修复土木建筑结构技术研究应用现状与展望[A].混凝土结构学术交流会,2000.
碳纤维的发展及其应用现状 第4篇
1. 国外发展现状
1959年日本进藤博士采用PAN奥纶为原材料研究开发基碳纤维, 日本大谷教授利用煤焦、石油炼制过程中的副产品 (沥青) 研究成功开发了沥青基碳纤维。
1965年, 粘胶纤维基碳纤维是由美国的UCC公司开发成功的, 主要材料是粘胶纤维。于20世纪70年代初就开始生产碳纤维, 主要应用于火箭喷嘴, 其能有效防止热气流传。1971年至1983年, 日本东邦人造丝公司、东丽公司等对碳纤维研究比较早, 在此期间已经能进行大批量的生产, 主要用于体育器具, 欧美则用于航空和航天工业。
1980年前, 波音公司首次将碳纤维使用在757飞机上, 1985年-1990年, 欧美主要对复合材料产品性能和深加工技术进行了研究。
国外利用电磁辐射等离子技术由碳纤维原丝来生产碳纤维;并把纳米技术应用于碳纤维上, 研制出纳米碳纤维, 超高模量的沥青碳纤维长丝发展迅速。
2. 国内发展状况
20世纪70年代中期, 我国开始研究碳纤维, 经过多年的发展, 碳纤维在研发领域上取得了很大的成就, 但总的来说, 国内碳纤维的研制与生产水平还较低。
吉林省长春应用化学研究所于1960年代初, 开始对PAN基碳纤维进行研究, 并先后完成了连续化中试装置。上海合成纤维研究所等单位也开始研究, 于1980年通过了中试。总之, 我国在碳纤维领域的研究方面起步晚、发展也缓慢。
二、碳纤维的应用状况研究
1. 宇航领域
碳纤维重量很轻, 但其尺寸稳定性, 刚性和导热性能均很好, 最初的高模量碳纤维广泛在人造卫星技术当中使用。在宇航上的碳纤维应用主要包括火箭发动机喷管和壳体。2002年, 碳纤维的需求量在宇航领域中大约是4000t, 其应用分布:北美为2500t, 高达62.5%;欧洲和亚洲分别为1260t和240t, 分别占26.1%和4.2%。
2. 土木建筑领域
随着碳纤维生产成本不断地在降低, 加之复合材料加工技术不断高速发展, 碳纤维复合材料在土木建筑领域的应用市场越来越大。
3. 工业领域
近年来碳纤维在宇航工业领域中应用相对萎缩, 与体育休闲用品和航天航空领域相比, 碳纤维应用于工业领域的需求不断上升。随着复合材料辊子、基础设施、油气开采等应用研发的不断成功, 从而进一步促进了碳纤维的发展。
4. 交通运输领域
新一代的汽车要求降能、降耗, 减轻汽车重量是最为重要的方法, 因此采用复合材料是最有效的解决办法。碳纤维在一辆小汽车的用量约113kg, 按照这个计算, 那么碳纤维在世界上的汽车领域将超过现有碳纤维生产总量的100倍。因此采用碳纤维复合材料作为汽车材料, 具有广阔的前景。
5. 能源领域
高性能碳纤维的电阻率一般在10-3~10-2Ω·cm之间, 因此, 由于电阻率很低, 广泛应用于新能源和电化学领域。与原碳材料电极比较, 高性能碳纤维具有体积小、质轻、传导性能高等优点。用高性能碳纤维纸制作质子交换膜——燃料电池的气体扩散层电极材料, 已获得电池制造商的认同, 得到了快速发展。
6. 体育休闲领域
2002年, 碳纤维用量在全球的休闲体育用品使用了4990t, 其中3100t消耗在亚洲国家, 大概占据全球的62.2%;其次碳纤维用量在北美消耗1120t, 占全球消耗总量的22.4%;欧洲国家消耗770t, 占全球总量的15.4%。亚洲等国家正大力发展复合材料。
碳纤维复合材料在技术、工艺等领域取得了长足的进展, 应用范围也不断扩展, 主要集中在航空航天、军事领域、工业应用领域、土木工程、交通运输、压力容器、石油开采、纺织机械等领域。因此, 大力研发碳纤维及其复合材料, 可带来长期、稳定的投资收益。
摘要：目前, 碳纤维工业化产品主要包括PAN基和沥青基, 世界上消费高性能碳纤维主要是美国, 而生产高性能碳纤维主要是日本, 碳纤维已广泛应用于各行各业中。碳纤维大多应用于复合材料的生产, 且广泛应用于各行各业。论文主要分析了国内外碳纤维发展现状, 着重介绍了碳纤维在宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域的应用。
关键词：碳纤维,复合材料,领域,应用
参考文献
[1]郭敏怡.我国高性能碳纤维产业发展现状与展望[J].军民两用技术与产品, 2012, (2) .
纤维素酶及其应用综述 第5篇
钢纤维混凝土( Steel Fiber Reinforced Concrent. 简称SFRC)是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维组合而成的复合材料。钢纤维混凝土中的钢纤维呈三维乱向分布，沿每个方向都有增强和增韧的作用，尤其对复杂应力区增强非常有效，可使混凝土物理力学性能产生质的变化，大大提高混凝土抗裂性能和抗冲击性能，使原本脆性的混凝土材料呈现很高的延性和韧性，以及优良的抗冻、耐磨性能，特别适用于要求连续、快速浇注混凝土的较大工程。
桥梁的混凝土桥面铺装层由于重型车辆的使用、交通量的增加，损坏非常严重，维修周期越来越短，这不仅妨碍了交通安全，也给维修工作带来不便。若改用SFRC 铺装桥面层，则可使面层厚度减薄，伸缩缝间距加大，从而改善桥面的使用性能，降低维修费用，延长使用寿命。
SFRC 应用于桥面铺装层，一般有两种：一种为部分粘结式的铺装层;一种为SFRC 增强钢筋网或钢丝网混凝土铺装层，亦称为复合式铺装层。
钢纤维的品种及性能是影响钢纤维混凝土质量的主要因素，钢纤维主要有以下几种：①切断钢纤维。②剪切钢纤维。③熔抽钢纤维。
钢纤维对混凝土的增强表现在当混凝土基体刚刚出现微裂缝时，钢纤维混凝土并未立即破坏，而是随着裂缝的稳定扩展，承载力继续上升，直到裂缝宽度增大到一个临界值时，钢纤维逐渐拔动或拔出，钢纤维混凝土才由于发生突然性的裂缝失稳扩展而破坏。为防止钢纤维混凝土因钢纤维被拉断而失去强度，钢纤维的抗拉强度不低于380kPa，钢纤维表面不得有油污和其他妨碍钢纤维与水泥浆粘结的杂质。钢纤维内含有的铁屑及杂质总量不得超过1%.钢纤维混凝土的水泥用量较一般混凝土高出10%左右。细集料砂的粒径为0.15~5mm，粗集料碎石最大粒径不宜大于20mm 或钢纤维长度的2/ 3.为保证钢纤维拌和物的和易性，混凝土的砂率一般不低于50%，必要时掺入减水剂或超塑化剂以降低水灰比。
2 钢纤维混凝土的配合比设计
纤维素酶及其应用综述 第6篇
【关键词】大容量；电力电子；应用系统；关键问题；综述
当然现在随着风力发电、太阳能发电等清洁能源的并网调速、电能质量的控制等，都会将原来在不易发觉的问题显露出来。
一、应系统作用
1.首先就是节约，作为大容量电力，电力输送是比较关键的环节，电力电子应用系统就是针对电力输送来将低压变为高压输送到应用场合再变为低压，便于使用，这个控制过程就是一个完整的应用系统，比如我们看到的高铁等电力牵引、冶炼厂使用的扎机、工业窑炉等等；
2.更有效的对大容量设备的使用得到更有效果的控制；
3.传统产业、机电一体化产业改造对大容量电能质量的需求；
4.适应高频化和变频技术的发展实现最佳工作效率；
5.智能化的进展将人从危险、繁琐的工作中解放出来。
二、大容量电力电子应用热点
目前我国基于大容量电力电子技术的应用热点有电气节能、风力、太阳能等新能源发电、高铁电力牵引机车以及智能电网四个方面。
1.电气节能
节能是一个永久的话题，特别是现在能源短缺的现在，这也是经济发展必然面对的一个主要问题。电动机是电能最大的消费载体，也是节约电能最具潜力的选手。我国电动机年耗电量高达12000亿千瓦时达到全国工业用电量的60%以上，这些电动机如果采用变频就象格力格力空调一晚只需一度电的话，我们就可以节省大约30%的电能，这是一个不小的数字，也就是可以节约上千亿的电费。无论是风机还是水泵，都是需要电机来带动的，如果我们使用变频技术，控制好电机在需要高速的时候就高速运行，在需要低速的时候就低速运行，这就是需要对原有的系统进行智能化控制改造。也就是需要对原有设备需要增加变频器，而这个变频器就是做关键的设备，当然降低成本和提高可靠性将是一个关键的问题。
2.新能源发电
目前主要应用更多的可再生能源，风能、太阳能、地热能、生物质能和燃料电池，电力电子变换技术的新能源为电能转换和调整，以达到最大限度的利用和正确的匹配或负载和电网。新能源发电的电力电子技术应用特点：随机性的能源供应，风能、太阳能随天气情况有很大的变化，电网电力需求高，电网侧需求输入功率波动很小，更高的电能质量。和我国的现状[2]：网格转换器与进口产品为主，一般操作经验是不够的，国内生产仍处于摸索前进。主要的问题仍然是降低设备的可靠性，功能和性能仍不能满足要求，没有一个统一的标准。
（1）大容量发展是一个趋势，风机机组容量已经达到5兆瓦的发电系统，并发展到更大的容量，光伏（pv）电网发电系统也开始兆瓦的方向发展。
（2）直接变换使用也就是直驱式或混合驱动式系统方向发展。
（3）主要反映在效率高、可靠性高、适应的低压电网通过和岛保护需求。
3.电力牵引
高铁的机头就是电力牵引主要是应用电力电子变换和控制技术，这是影响着世界交通的发展。2008年底，国家发展和改革委员会，启动经济振兴计划的刺激国内需求，这是高速列车的主要部分，地铁、城际列车等电力牵引的发展项目，我们的高铁现在的覆盖覆盖能力已经达到了主要城市，新能源汽车将是一个纯电动汽车和混合动力汽车、以及普通混合动力汽车已经在国内的合肥等城市进行试点。电动汽车作为美国国家战略的重要组成部分明年将实现100万辆电动汽车目标，我国目前使用的电力牵引电力电子变换器仍是主要进口，国内产品也迅速增加，但动态性能差等一些问题，可靠性仍需要进一步提高电力电子技术在电力牵引的主要发展方向，包括：
（1）提高电力电子变换器的效率和功率密度的设备，主要开发集成技术和冷却技术；
（2）精确控制的实现，应用高性能的闭环控制，针对低速和高速度的矢量控制和直接转矩控制一直是一个热门的研究课题；
（3）以确保运行可靠，使用冗余控制和综合能源管理技术等等。
4.智能电网
智能电网已经成为我国正在建设的特高压电网和深化电力体制改革的一个新的方向。特高压输电是我国电网的一大特点，它具有传输距离长、低损耗、低成本的传播特征，是一种理想的传输模式。自从第一个1kkv交流特高压输电示范工程完工以来，（陕西晋东南-南阳荆门特高压工程），已经在云南、广东、向家坝、上海等地也相继建设完成了800kv特高压直流输工程。国家电网计划到2020年特高压输电建设投资将达到一亿元人民币。使用和将使用大量基于大容量电力电子技术，电力设备，其中包括固态变压器、固态断路器，以及均匀流控制器，静态无功补偿器，动态电压调节器等电力电子设备，这些主电路结构及其控制仍然是包括固态变压器、固态断路器、静态无功补偿器、动态电压调节器、静态同步补偿器等电力设备的瓶颈问题。
三、主要关键技术
关键技术仍只不过硬件（设备）、方法（拓扑）和控制技术的三个元素。
1.硬件、电力半导体器件的发展
大容量电力电子变换的高电压大电流系统需求，提出了高功率半导体器件的需求。和大部分时间，设备的好坏往往决定了系统的性能和可靠性。主要的问题是困难的过程，收益率低，电流容量低，最大电流不超过20A。最近，人们越来越重视氮化镓（GaN）设备的发展。因为它的特点类似于原文如此，类似于硅过程和生产过程。
2.PWM控制方法的应用
传统的PWM控制技术可用于大容量多电平转换电路，因为每个不同的多电平变换器拓扑的特点，因此PWM控制的目标更重要的是，有很高的性能指标。
四、存在的主要问题
（1）仍然没有完全掌握足够的半导体开关器件的特性；
（2）主电路的设计仍然处于理想化和经验化，没有和实际情况进行很好的协调配合；
（3）设备和装置的电磁暂态过程描述不清楚；
（4）设备和设备失效机理还不清楚。
急需解决的问题主要是：
（1）自适应设备的模型；
（2）安全工作区域的定义；
（3）多个时间尺度的过程的理解；
（4）能源控制仍然是一个关键问题。
五、结语
随着中国梦的实践，大容量电力电子技术必将向高功率密度、高效率、高性能的方向发展。高压特高压大容量电力电子技术必将在我国行业特别是电力驱动显示节能、高效的优点。它与计算机、通信技术和信息产业，具有广阔的市场和发展前景。与此同时，我国必须注意研究高压大容量电力电子技术，实现自主创新，建立与世界先进水平的电力电子行业。
参考文献
[1]辛克伟，周宗祥，卢国良.国内外电动汽车发展及前景预测[J].电力需求侧管理，2008，10（1）：75-77.
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[3]林宇锋，钟金，吴复立.智能电网技术体系探讨[J].电网技术，2009，33（12）：8-12.
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[5]徐甫荣.中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较[J].电气传动自动化，2003，25（4）：5-12.
纤维素酶及其应用综述 第7篇
1 混杂纤维复合材料性能优势及其存在的问题
1.1 混杂纤维复合材料的性能优势
混杂纤维复合材料相较传统单一纤维增强的复合材料具有其明显的优势, 尤其是在力学性能方面尤为突出, 国内外学者对混杂纤维复合材料的力学性能进行研究时发现:不同纤维之间混杂后产生的混杂效应可让纤维之间扬长补短。以玻璃纤维和碳纤维混杂为例:玻纤与碳纤体积比为2的混杂纤维复合材料 (HFRP) 的断裂应变比CFRP高30%~50%;玻璃纤维复合材料的模量一般较低, 但如引入50%的碳纤维作为表层, 复合成夹芯形式, 其模量可达到碳纤维复合材料的90%;玻璃纤维复合材料疲劳寿命为非线性递减, 如引入50%的碳纤维, 其疲劳寿命将转变为线性递减, 其循环应力也有较大的提高[5,6,7]。
此外, HFRP还会改善构件的抗冲击性能、蠕变性能、疲劳性能等。Park等[8]在研究4层芳纶纤维/玻璃纤维混杂复合材料的冲击性能时, 发现当芳纶纤维在底层时, 表现出较单一玻璃纤维增强复合材料更高的冲击能。Maksimov等[9]研究了不同体积含量的芳纶/玻璃纤维混杂复合材料的蠕变性能, 在保持700MPa连续的力蠕变5.7年后, 复合材料中玻璃纤维的应力增加了1.85倍, 芳纶纤维的应力下降了10%, 表明在芳纶纤维中混入玻璃纤维, 可以有效地抑制蠕变。Cavatorta[10]对玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料疲劳性能进行研究表明, 混杂纤维复合材料的抗疲劳性能较单一纤维增强复合材料更优。
混杂纤维不仅可以混杂传统意义中的有机无机合成纤维, 同时可以混杂植物纤维, 既可以弥补植物纤维强度低、吸湿率高的劣势, 还可以使复合材料获得意想不到优异特性, 如Rout等[11]用7%的玻纤与13%的椰子壳纤维增强聚酯树脂, 不仅提高了构件的弯曲强度, 而且使构件的吸湿性降低。
1.2 混杂纤维复合材料存在的不足
混杂纤维复合材料能够有效地弥补单一纤维增强复合材料所存在的缺点, 是复合材料将来的发展趋势之一。但是混杂纤维增强复合材料同时也存在相应的问题, 如混杂区域、混杂均匀性等, 不均匀的混杂区域或者局部的单一纤维堆积, 往往会导致复合材料整体性能不一, 容易出现局部的层间破坏或局部微裂纹;混杂纤维比例的不恰当也会导致构件在增加某一项性能时, 过多地降低了其他的性能, 导致构件顾此失彼;混杂比例的不当还会导致过高的成本而使构件在实际使用过程中受到限制。因此控制混杂纤维复合材料的工艺和合适的混杂比例是混杂纤维复合材料保持优异性能的前提, 其中尤为突出的便是混杂比例, 如何确定一个最优的纤维混杂比例, 不仅关系到构件的力学性能, 同时关乎成本, 在实际工程应用中, 往往是兼顾两者之间的关系, 择优选择, 即最优纤维混杂比例的确定。
2 最佳混杂比例研究
2.1 最佳性能混合比例研究
混杂纤维复合材料的研究早期主要集中于玻璃纤维与碳纤维的混杂, 以提供复合材料更强的力学性能, 并弥补碳纤维断裂延伸率低和价格昂贵的缺点。性能研究的基础是混杂纤维的混杂效应, Manders[12,13]对CFRP/GRPF混杂复合材料试样进行拉伸试验研究, 概括出如图1所示的强度与混杂比的关系。图1 (a) 中AD线对应相关混杂比例下的HFRP理论拉伸强度, A点、D点分别代表纯GFRP和纯CFRP的拉伸强度。CFRP体积含量在C点以前时, 由于碳纤维的延伸率低, 其先断裂, 碳纤维断裂后载荷传给玻璃纤维, 由玻璃纤维承载直到整体失效。即在C点以前, 材料呈多级破坏模式, 典型拉伸应力-应变曲线会出现线性段和曲线段;CFRP体积含量在C点以后, 碳纤维首先断裂后, 玻璃纤维的体积分数相对较少, 承载能力较低, 混杂纤维复合材料呈现单级破坏模式, 典型拉伸应力-应变曲线只包含线性段, 如图1 (b) 所示。即混杂纤维复合材料存在“混杂效应”。
图1混杂纤维复合材料的混杂效应 (a) 混杂纤维复合材料理论强度; (b) C点前后的典型应力-应变曲线Fig.1 Hybrid effect of hybrid composites (a) theoretical strength of HFRP; (b) typical stress-strain curves before and after point C
Marom等[14]对CFRP/GFRP混杂复合材料进行了研究表明, 混杂效应发生的前提条件是两种纤维不仅在力学性能上要有差异, 而且它们各自与基体形成的界面性能也要不同。在此基础之上, 混杂纤维复合材料的性能延伸出了很多理论模型来预测混杂纤维复合材料的力学性能。最典型的就是断裂力学模型[12,13]、微观力学模型[15]、断裂能模型[16]和随即临界核模型[17]。基于这一系列的理论, 学者们展开了最优混杂比例的理论研究和实验研究。
在理论研究方面, Nordin等[18]研究了混凝土板和混杂纤维工字梁组合结构的强度理论, 其中工字梁为拉挤工艺成型, 增强体为碳纤/玻纤混杂纤维, 碳纤维主要分布在梁的上下面板区域。针对碳纤维和玻璃纤维混杂区域, 定义了一个转化因数α:
其中, EC表示混凝土的弯曲模量;EGFRP和ECFRP分别表示玻璃纤维复合材料和碳纤维复合材料的弯曲模量。
使用平行轴定理和转化因数可得到惯性矩I:
其中EIflex表示混合结构风度, 推导可得到理论刚度:
其中:
其中, δ代表位移;p为加载在梁上的总载荷;L为两支点之间的距离;a为加载点到支点之间的距离, Aweb代表横截面积;kδV为制造商提供的常数。通过碳纤维与玻璃纤维混杂构件的理论刚度值以及对刚度值和构件尺寸的设定, 可以推导出碳纤维的最佳含量。
陈汝训[19]研究了碳纤维与玻璃纤维层间混杂复合材料拉伸性能, 得到了纤维临界体积分数的计算公式, 当存在刚度要求时:
当存在压缩强度要求时:
其中, E1, E2和E0分别表示纤维1, 2和基体的拉伸模量;Vf为纤维的总体积含量。通过两个公式的综合使用, 可以得到满足所需性能的最低碳纤维含量。
在实验研究方面, 汕头大学[20]对CF/GFHFRP的合理混杂比进行了实验研究, 采用大试件测得了HFRP试件的应力-应变曲线, 对于实验所选用的材料 (CF与高强GF) 而言, CF体积分数为0.198和0.247的两种HFRP强度高, 延性好, 且价格低, 仅刚度略低, 匹配相对合理。邓宗才[21]在研究玻璃纤维与有机纤维混杂增强混凝土的弯曲疲劳特性时发现, 玻璃纤维掺量2.7kgm-3与有机纤维掺量1.3kgm-3混掺时, 混杂纤维混凝土疲劳强度比素混凝土提高35.0%, 即混杂纤维能充分发挥各种纤维的优势, 对改善混凝土的疲劳性能比单掺玻璃纤维和有机纤维的作用都显著。此外, 张小东[22]、赵洪凯[23]、Hayes[24]、Barjasteh等[25]分别对混杂纤维复合材料在拉伸状态、弯曲状态、受热状态下的最佳混杂比例进行了研究, 得出了相应的最佳混杂比例。
目前对于满足最佳力学性能的混杂比例的研究, 多是先通过理论计算, 再通过实验验证的方式得到。通过对混杂纤维复合材料的刚度、强度等性能进行理论计算和实验, 可灵活搭配出满足工程应用的构件。
2.2 最佳成本混合比例研究
最优性能混杂比例的控制主要是为了获得优异的构件性能, 并没有过多地考虑成本。但是在混杂过程中, 过多地引入性能好的纤维虽然会大幅提升构件的力学性能, 但同时也会增加成本, 得不偿失。最优的混杂比例, 同时也是构件力学性能与成本之间的博弈, 使其不仅能够保证复合材料构件优异的力学性能, 满足工程应用要求, 同时最有效的控制成本, 达到成本与性能的双赢。
对于成本与性能的研究, 往往在实验的基础上加入相应的有限元模拟, 来减少实验的工作量, 节约成本。Deskovic等[26]在此领域起步较早, 他们测试了一个盒形GFRP梁与CFRP和混凝土结构组合使用, CFRP粘接在GFRP下翼板, 混凝土固定在梁上翼板。通过实验、理论分析和有限元分析的方法, 证明了混杂纤维复合材料和混凝土结构共同使用时, 可以达到性能和价格的充分有效利用。
此后, Pedro等[27]针对相同的结构, 设计研究了一个12m长的单跨桥, 其中梁结构采用拉挤工艺生产的玻纤增强复合材料工字梁。考虑在工字梁底部粘贴碳纤维复合材料来增加构件的刚度, 通过实验和有限元模拟, 分析计算了不同厚度的碳纤维片材和不同厚度的GFRP工字梁制件相互组合, 当使其达到相同的性能时, 在玻璃纤维底面粘贴预应力碳纤维片层复合材料, 获得同等性能时制品的总成本较纯玻璃纤维复合材料制品成本降低40%, 见示意图2 (a) 和成本图2 (b) , 图2 (b) 中 (Ⅰ) 为纯GFRP制件的成本, (Ⅱ) 为GFRP粘接GFRP板的成本, (Ⅲ) 为GFRP粘接CFRP板的成本。最终Pedro等确立了使用450mm200mm80mm GFRP工字梁粘接0.4mm预应力CFRP来作为桥梁结构。
Sorina等[28]也对此结构进行了相应的研究, 但并没有使用粘贴的方式, 而是使用拉挤工艺将玻璃纤维和碳纤维混杂在一起, 其中, 碳纤维主要分散区域为上下翼板。最终结果表明, 混入20%的碳纤维, 使构件的整体刚度提升了近40%, 同时可以有效控制成本。在此基础上, Sorina还发展了相应的理论来均衡性能与成本的关系, 定义了一个参数Km来表示制品性能提升与材料价格提升之间的关系。
(a) 混杂区域及形式; (b) 不同混杂形式成本对比 (a) costs of different hybrid forms; (b) hybrid area and form
式中:Δp为加入碳纤维导致的价格增加;ΔKxx为加入碳纤维导致的刚度增加;φ为任意参量 (体积含量、性能等) 。
当φ为体积含量时可以得到:
式中:Kca为加入碳纤维后的刚度;Pca为碳纤维加入后的价格;E为模量;I为惯性矩;ρ为密度;p为一公斤纤维价格;S为纤维面积。下标ca, gl分别代表加入碳纤维和纯玻璃纤维复合材料。
当Km>1时, 认为是最佳的性能与价格比, 依此可以计算出相应的碳纤维的体积含量。这种方法是一种简单的数值计算法, 其存在很多不足和值得商榷推敲的地方, 因此, 还有待提出更好的权衡价格与性能的计算公式。
3 混杂纤维复合材料应用
目前, 国内外混杂纤维复合材料的应用形式主要由以下四种:
(1) 不同纤维以铺层方式混杂; (2) 一种纤维拉挤型材与另一种纤维铺层共固化; (3) 两种纤维通过拉挤工艺混合; (4) 一种纤维拉挤型材与另一种纤维型材胶接。其混杂的区域位置包括夹芯混杂型、层间混杂型、层内混杂型、层间并层内混杂型和肋条增强型。
混杂纤维复合材料最早主要是应用于航空航天领域, 如卫星导弹等, 要求复合材料低的热膨胀系数, 多采用玻纤/碳纤混杂, 如20世纪70年代中期美国在Sprint导弹发动机壳体上采用了Kevlar249、碳纤维混杂复合材料, 使发动机的刚度和抗弯、抗压能力明显得到提高;美国海军F-14机翼表面的整流装置使用CF/GF织物混杂复合材料制作, 使飞机减重25%, 节约费用40%。目前, 俄罗斯等国家也已经开始对米格-29等机型所使用的碳纤维复合材料进行改进, 通过混杂的方式, 以期降低成本。商用飞机更是大量使用混杂纤维复合材料, 如下图3为商用航空飞机机翼蒙皮使用混杂纤维复合材料[29]。
20世纪80年代开始, 伴随着复合材料型材在土木建筑领域的大量使用, 混杂纤维复合材料也开始广泛应用于土木建筑。混杂纤维复合材料最早在桥梁中使用是2001年施工的日本冲绳岛大桥, 使用玻纤/碳纤混杂纤维作为桥体的横梁结构[29];此后, 美国的Tom’s Creek大桥使用混杂纤维;Arvid等[30]在2005年进行欧洲ASSET项目研究时, 设计并建造了一座全FRP桥梁, 桥梁尺寸7m10m。桥梁使用四个方形GFRP拉挤型材黏结在一起, 在上下表面使用真空辅助工艺将45层单向碳纤维混合7层玻璃纤维 (铺层:1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/6C/1G/7C/1G/7C/1G/7C) 与GFRP拉挤桁共固化在一起, 使其刚度提升了近50%;Mendes等设计研究了一个12m长的单跨桥, 其中梁结构采用拉挤工艺生产的玻璃纤维复合材料工字梁, 并在底面板粘贴碳纤维片材。
除此之外, 混杂纤维复合材料在其他领域也有着很广泛的应用, 如美军士兵使用的未来部队勇士 (Future Force Warrior, 简称FFW) 帽子[31], 见图4。采用碳纤维和芳纶纤维混杂, 不仅强度高, 而且耐冲击性能优异;碳纤维还可与记忆性金属纤维等组合成新型具有记忆性的形状记忆复合材料;玻纤/碳纤混杂复合材料在风力发电领域也有着广泛的应用;在汽车领域, GEC阿尔斯通公司/SNCF (法国铁路) 使用CF/GF强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯制造双层大容量高速客车, 并将轴重保持在17t, 与单层高速客车水平相同。
4 结束语
混杂纤维复合材料较单一纤维增强复合材料具有明显的优势, 是目前发展的重点方向之一。尤其是在土木建筑领域, 不仅需求量大, 而且强度、刚度的提高对建筑物的使用具有重要影响, 可以显著增加建筑物的使用寿命和承载性能。对于混杂纤维最佳混合比例的研究目前也主要集中于这一领域。在其他领域如汽车、船舶、电子电器等, 合理的搭配纤维的混杂比例可以有效地降低成本, 可以有效地统筹协调制品的价格与性能。对于混杂纤维复合材料的发展, 还存在一些可以研究和改进的空间, 其存在的问题主要有:
(1) 目前对于混杂纤维的研究和混杂效应的研究多集中于两种纤维混杂, 国内外鲜有3种或3种以上的连续纤维增强树脂基复合材料的研究报道。
(2) 对于混杂纤维价格和性能的综合考虑研究目前相对较少, 现存理论模型简单, 不能精准地确定最优混杂比例, 需要对理论模型进行进一步的开发。
(3) 连续型材的生产多依赖于拉挤成型工艺, 但对于拉挤成型工艺中纤维的混杂区域位置和混杂分散性的好坏对于构件性能的影响的相关研究较少, 需要对其进行进一步的系统研究, 以期获得可广泛使用的生产和混杂工艺。
(4) 国内对于混杂纤维的研究较多, 但是实际应用较少, 还存在很多可以借鉴学习的地方, 此外, 开拓混杂纤维在民用基础领域的应用, 可以降低成本, 提高性能。
摘要：混杂纤维复合材料以其性能和低成本等优势近期取得了快速发展和应用。纤维混杂比例不仅影响构件的性能, 同时关乎成本。本文介绍了混杂纤维复合材料的性能优势, 分别对复合材料最佳性能和最佳成本时的纤维混杂比例的研究进展进行了综述, 并介绍了混杂纤维复合材料的应用近况, 提出了混杂纤维复合材料目前在发展中的不足, 对其发展方向进行了展望。
玻璃纤维及其复合材料的应用进展 第8篇
玻璃纤维虽然具有良好的耐热性和化学稳定性,抗拉强度大、弹性摸量高、电介质常数低、导热系数小,耐冲击、耐腐蚀和耐疲劳性能好,功能可设计性强。但脆性大,耐磨性差、柔软性差[7,8,9],因此需要对玻璃纤维进行改性处理,与其他相关材料复合,以满足航空、建筑、环境等领域的需求。
1 玻璃纤维的应用领域
1.1 玻璃纤维在航空航天领域的应用
1.1.1 航空用高性能玻璃纤维
高强度玻璃纤维主要有S级的SiO2-Al2O3-MgO系统和R级的SiO2-Al2O3-CaO-MgO系统,其SiO2+Al2O3含量达80%以上,石英玻璃纤维二氧化硅含量达99.9% 以上。高性能玻璃纤维及其增强复合材料由于其良好的力学性能、耐腐蚀性和透波介电性等,被应用于直升飞机的浆叶、方向舵、雷达罩、各类仪表盘、飞机的内饰材料、热防护材料及固体发动机壳体等。 如在空中客机A380 上,S-2 玻璃纤维增强GLARE层板应用于飞机机身、地板等部位[10,11]。还可作为阻尼减振材料、隔音材料用于飞机消音板[12]和飞机座舱、高温管道等[13]。
1.1.2 宇航服用玻璃纤维材料
超细玻璃纤维是一种单丝公称直径为3.5~4μm的玻璃纤维,具有高的拉伸强度、良好的柔软性和耐折性,可制作宇航服的反射绝缘层和外防火层等[14]。
1.2 玻璃纤维在建筑材料领域的应用
1.2.1 玻璃纤维增强水泥
玻璃纤维增强水泥是以玻璃纤维为增强材料,以水泥净浆或水泥砂浆为基体材料复合而成的[15]。它改善了传统水泥混凝土密度大、抗裂性差、抗弯强度和抗拉强度低等缺陷[16],具有重量轻、强度高、抗裂性好、耐火性优、抗冻性高、可加工性好等优点,应用于建筑、土木、市政、水利工程等[15]。但普通硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2会对玻璃纤维产生侵蚀[17]。为了控制玻璃纤维被腐蚀,开发出一种低碱度环境的基体,生产的玻璃纤维增强磷酸镁水泥复合材料,通常作为修补材料被广泛应用于道路、桥梁、机场跑道等[18,19];玻璃纤维增强氯氧镁水泥,通常被应用于屋面、墙体、活动板房等[20]。
1.2.2 玻璃钢
玻璃纤维增强复合材料,也称玻璃钢,是以玻璃纤维为增强材料,树脂为基体材料形成的。具有轻质高强、耐腐蚀性能优越、可设计性强、隔音性能好等特性,在建筑节能方面日益受到人们的青睐。玻璃钢管道应用于给排水,与以往所用的金属管、钢筋混凝土管等其他管道相比,耐腐蚀性好、寿命长、耐热性好,生产安装费用低,输送介质阻力小,可节能降耗;因其导热系数小、线膨胀系数小、密封性能好而成为建筑门窗的绿色环保产品,节能效果显著,弥补了传统塑钢门窗低强度、易变形的缺陷。既具传统铝合金和塑钢等门窗坚固、耐腐蚀、节能保温等特点,又有自身特有的隔音好、耐老化、尺寸稳定等优点;另外,玻璃钢作为建筑节能材料,也用于制造玻璃钢地板、通风厨、活动板房、井盖、冷却塔等[21]。
1.2.3 建筑防水材料
将短切玻璃纤维湿法成型,通过浸渍高分子粘结剂,经高温干燥固化制成玻纤胎[1],可作为建筑防水材料。因其具有良好的尺寸稳定性、防水性、耐腐蚀性、耐老化、耐紫外线等特性,主要作为防水卷材的胎体、玻纤胎沥青瓦、防水涂料等[22],用于建筑防水工程,防止水对建筑的侵蚀。
1.2.4 建筑膜结构材料
以玻璃纤维为增强材料,经过后整理工艺处理,在表面涂覆高性能树脂材料形成的复合材料。常用的建筑膜材主要有:聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材、乙烯-四氟乙烯(ETFE)膜材等,因其轻质耐用、可防污自洁、透光节能、隔音防火等优点,应用于体育场馆、展览会场、机场大厅、娱乐中心、购物场、停车场等建筑。例如,上海万人体育馆、上海世博会、广州亚运会等均采用了PTFE膜材;“鸟巢”采用了PTFE+ETFE结构,外层ETFE起防护作用,内层PTFE起保温隔音效果;“水立方”则采用了双层ETFE[23]。
1.3 在军事工程方面的应用
玻璃纤维及其复合材料可用于导弹的外壳或其发动机的壳体[10];可制成导弹弹翼筒和炮弹引信等,也可制成玻璃钢头盔[24];还可用于制造排爆套服等军用物件。例如导弹“民兵”的发动机壳体应用S玻璃纤维,军事飞行器的雷达罩应用石英玻璃纤维,军用帐篷应用超细玻璃纤维等;另外,还可作为防弹防爆装甲材料和护甲。
1.4 玻璃纤维及其织物表面涂覆
玻璃纤维及其织物表面通过涂覆PTFE、硅橡胶、蛭石等改性处理可以改善和提升玻璃纤维及其织物的性能。
1.4.1 玻璃纤维及其织物表面涂覆PTFE
PTFE具有高的化学稳定性、突出的不粘性、优异的耐老化性、耐腐蚀、自洁性等优良特性[25],但存在机械性能差、耐磨性差、导热性差等缺陷,玻璃纤维具有优良的力学性能和物理化学性能,在玻璃纤维及其织物表面涂覆PTFE,既能弥补和改善PTFE的缺陷,又能发挥玻璃纤维的优势性能,同时降低玻璃纤维的脆性,形成强度高、耐磨性好、耐老化的玻璃纤维/PTFE材料。
玻璃纤维涂覆PTFE一般采用多次浸渍工艺,经过热处理的玻璃纤维布通过浸渍槽涂覆PTFE分散液,再进行干燥、烘焙、烧结等处理,将乳液中多余的水分及溶剂蒸发,留下PTFE树脂颗粒紧紧地附着在玻璃纤维布上[26],该材料既具PTFE特性,又有玻璃纤维优异性能,常用作建筑膜结构材料、绝缘材料、摩擦材料等,被广泛应用于建筑、电子等领域。
1.4.2 玻璃纤维及其织物表面涂覆硅橡胶
硅橡胶具有良好的电绝缘性、耐高低温、耐氧老化等优点,在玻璃纤维及其织物表面涂覆硅橡胶,可以改善玻璃纤维的耐折性能和耐磨性能。以玻璃纤维及其织物为基材,涂覆硅橡胶形成的涂覆玻璃纤维织物,具有抗拉强度高,尺寸稳定、电绝缘性好和耐化学腐蚀等优良特性,通常作为电气绝缘材料,可制成绝缘布、套管等产品;作为防腐材料可用作管道、储罐的内外防腐层;也可作为建筑膜材、包装材料等应用于建筑、能源等行业[27]。
1.4.3 玻璃纤维及其织物表面涂覆蛭石
蛭石是一种含镁的水铝硅酸盐矿物,能耐1250℃高温,被加热膨胀后体积增大,导热率低,膨胀后的蛭石密度小、化学绝缘性好、隔热隔音、耐火防冻,虽然玻璃纤维有好的耐热性,但长期使用温度不宜过高,遇明火时火焰甚至可穿透其制品,将蛭石涂覆于玻璃纤维及其织物表面,蛭石可提高玻璃纤维的耐火耐温性,还能起到隔热阻燃的效果。涂覆蛭石玻璃纤维制品具有更高的耐热性,还具有好的隔热阻燃性,被应用于焊接防护、防火防护、管道包扎等[28]。
1.5 玻璃纤维表面金属化
镀金属玻璃纤维复合材料导电性能好、强度高、可加工性强,可作为电磁屏蔽材料、吸波材料、抗静电材料、导热材料等,用于制作电磁波防护服、电磁波的滤波板等[29,30]。
1.6 玻璃纤维在环境领域的应用
1.6.1 过滤材料
玻璃纤维过滤材料主要有连续玻璃纤维过滤布、膨体纱玻璃纤维滤料、针刺毡玻璃纤维滤料和玻璃纤维覆膜过滤材料。连续玻璃纤维过滤布用于工业捕集过滤工业烟气粉尘;膨体纱玻璃纤维滤料用于滤式除尘器;针刺毡玻纤滤料应用于化工、冶金等工业的烟气过滤[31];玻璃纤维覆膜过滤材料应用于高温烟气除尘。
另外,玻璃纤维过滤材料和含尘颗粒带有电荷,电荷之间的相互作用使含尘颗粒被捕集在玻璃过滤材料上[32],可用于环境保护和清洁。例如由高硅氧玻璃纤维制成的过滤布可从800℃以上的高温气体中滤除粉尘,用于工业窑炉废气的消烟除尘,减少对大气的污染。玻璃纤维空气过滤纸用于除去空气中的异味,可以净化空气;也可用于汽车尾气处理,滤除汽车尾气中的固体颗粒,转化尾气中的有害气体[33]。
1.6.2 水土保护材料
玻璃纤维和有机纤维材料复合可形成用于防止水土流失的土工材料;将玻璃纤维喷洒在地上会形成弹性多孔毡,可以保护刚播种的农田免遭冲刷;玻璃棉毡可作为载体用于无土栽培;玻璃纤维与其他材料复合可用于处理固体废弃物;将玻璃纤维负载WO、V2O3等用于垃圾焚烧过程除去废气中的氮氧化物[33,34]。
1.7 风力叶片材料
用玻璃纤维及其复合材料制成的风机叶片轻质高强,可以避免运行中共振带来的破坏[35]。
2 展望
钢纤维混凝土性能研究及其应用现状 第9篇
1 钢纤维混凝土的基本组成
钢纤维混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、水以及乱向分布的钢纤维组成的一种多相非均质复合材料,加之以必要的外加剂,按一定的比例配制,经凝结、硬化后形成。为简便起见,我们简化为钢纤维、混凝土基体和外加剂组成的三相复合材料。
2 钢纤维混凝土的基本力学性能
2.1 抗压强度
钢纤维对基体混凝土的增强作用并不显著。加入钢纤维后,其抗压强度随钢纤维含量的增加略有提高,但增量不大,一般提高幅度在10%以下。钢纤维长度的选择与最大石子粒径关系密切,较大的石子粒径和较短的钢纤维会影响钢纤维在混凝土中的取向与分布,容易造成钢纤维的局部结团,相当于构成了薄弱截面,此时加入钢纤维反而会产生不利影响[2],造成钢纤维与混凝土界面粘结性状变差,其抗压强度甚至会比同配比的普通混凝土有所下降[3]。
2.2 抗拉强度
钢纤维对混凝土劈拉强度的增强效果要比对抗压强度的增强效果显著许多。钢纤维混凝土28 d劈拉强度高于基准混凝土,并随着钢纤维体积掺量的增加而增大。但钢纤维的加入并不能有效提高混凝土早期劈拉强度。多项试验研究表明[4],当钢纤维掺量在1%～2%体积率的范围内时,相应的混凝土抗拉强度提高40%～80%,并且不同等级的混凝土均呈现类似的规律。
2.3 抗弯强度
钢纤维混凝土的极限抗弯强度比素混凝土高得多,前者的初裂抗弯强度甚至比后者的极限抗弯强度还要高。试件初裂后,受拉区裂缝宽度随着荷载的增大而扩大,达到极限强度后,它不像素混凝土那样突然折断,而是随着裂缝宽度的继续扩大而缓慢卸载。
试验表明,影响钢纤维混凝土极限抗弯强度的主要因素有:1)混凝土基体的强度;2)钢纤维体积含量百分比(P);3)钢纤维长径比(l/d);4)钢纤维与基体间的粘结应力。
2.4 抗冲击性能
钢纤维混凝土有着良好的延性和控制混凝土裂缝的能力,其韧性远远大于相应素混凝土的韧性。从钢纤维混凝土及其相应素混凝土泊桑比的实测资料来看,钢纤维混凝土的泊桑比要比其相应素混凝土大7%左右。随着钢纤维含量的增加,钢纤维混凝土的抗冲击性能大幅度提高。当钢纤维含量为1.5%时,其抗冲击能力提高近7倍。
2.5 其他性能
韧性是衡量塑性变形性能的重要指标,在通常的纤维掺量下,其抗压韧性可提高2倍～7倍,抗弯韧性可提高几十倍到上百倍,弯曲冲击韧性可提高2倍～4倍,板式试件落球(锤)法击碎试验所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。
3 钢纤维混凝土的作用机理
1)混合定律是将钢纤维混凝土简化为由钢纤维、混凝土基体组成的两相复合材料,复合材料的各项性能为基体性能和纤维性能的加权和。2)纤维间距理论则认为,钢纤维混凝土的增强效果与混凝土基体中纤维的平均间距有关,该理论得出了混凝土裂缝尖端应力集中因子与纤维间距的关系[5,6,20,21]。3)刘永胜[7]根据复合材料剪滞理论,从两相复合材料的界面性能入手,分析了纤维—混凝土基体界面上的应力传递,从而从细观界面力学的角度分析了纤维对混凝土基体的增强机理,是纤维混凝土的增强机理复合材料界面力学的另一依据。
4 钢纤维混凝土的工程应用
4.1 路桥方面的应用
在路桥工程中使用钢纤维混凝土,可以使面层厚度减少,伸缩缝间距加长,维修费用降低,加强桥面铺装与伸缩缝的连接强度,特别是在重交通荷载作用下,因其能够减缓开裂速率,裂缝宽度减小,不连续开裂后的延性好,混凝土剥落、坑槽现象很少,有利于桥面和桥梁的使用寿命[8,9,10,11,12,13,14,15]。
针对上述问题,业界提出了新的方向——混杂纤维混凝土,将两种或者两种以上不同品质、表面形状的纤维混合掺加到混凝土基体中,以获取单掺一种纤维所达不到的性能优势,从而抑制早期塑性裂缝的产生,限制外力作用下混凝土基体中裂缝的扩展,阻碍混凝土内部微裂缝的发生和扩展,同时改善混凝土的抗渗、抗冻等耐久性能,最终实现高强度与高韧性的双重目的[9]。
4.2 建筑结构方面的应用
钢纤维混凝土在建筑工程中主要有以下几方面的应用[10,11,12,13,14,15,16,17,18]:
1)钢筋混凝土框架节点。以1.5%(体积率)的钢纤维代替1.7%的箍筋,可使抗剪强度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘结滑移降低60%～78%,避免了节点处钢筋拥挤不易施工的弱点;2)框架结构的抗震加固。采用钢纤维混凝土折曲斜撑加强的钢筋混凝土框架,刚度可相应提高2倍～3倍,耗能能力提高2倍,极限荷载下层间位移角大于1/50,具有良好的抗震性能;3)代替增强钢板。将钢纤维混凝土用于钢筋混凝土桩顶,可节省投资40%,在桩尖部位用钢纤维增强,可使桩的贯入能力提高,锤击次数减少;4)建筑墙板和屋面。日本已制成珍珠岩钢纤维混凝土复合墙板。我国目前正在研究用钢纤维膨胀混凝土做刚性防水屋面,掺1.5%钢纤维和15%水泥重量的膨胀剂所获得的自应力混凝土性能良好。
5 问题与建议
1)钢纤维混凝土的成本相对较高,工程应用还有较大局限。钢纤维的加入,不仅自身价格比较昂贵,更需要以大幅度增加水泥及其他胶凝材料用量为代价。2)钢纤维混凝土的生产和施工有待进一步完善和规范。钢纤维的长度、表面形状、长径比、添加数量以及掺入基体混凝土后的施工和易性等,均随环境条件的不同而改变,这就给生产和施工部门带来极大不便,完善和规范各种程序势在必行。3)目前,还没有完整的钢纤维混凝土结构理论指导钢纤维混凝土的设计。
6 结语
钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量乱向分布的短钢纤维而形成的一种多相、多组分水泥基体新型复合材料。它克服了混凝土的多项弱点,改善了混凝土的物理、力学性能,已在建筑、路桥、水工、海洋等工程领域得到应用。
纤维素酶及其应用综述 第10篇
1 碳纤维加固
1.1 碳纤维加固的原理
将高强度或者高弹性模量的碳纤维材料用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构受拉表面时,采用单向排列成束或者双排成束的方式,使碳纤维与原结构形成新的受力整体,让碳纤维材料与钢筋混凝土结构共同承受荷载,增强结构的抗拉和抗剪能力,提高强度、刚度、抗裂性和结构的延性,从而使结构达到加固和补强的效果[3]。
1.2 碳纤维加固的技术优势
CFRP适用范围广,加固效率高,可用于不同类型(如板、梁)、不同材料(如钢、混凝土)的构件加固;高强度(大约是钢筋强度的10倍)和高弹性模量、有很强的抗腐蚀性能和耐久性能、附加荷载轻不增加自重和断面的尺寸、柔性材料施工非常方便、快捷;碳纤维复合材料厚度最多仅为几毫米,基本上不改变原结构的设计尺寸,同时对建筑美观影响不大;其质量易保证,应用的时间较长,就总体而言,相比其他加固方法其综合造价较低。
2 有限元分析
2.1 基本假定
在ANSYS分析中采用如下假定[4]:1)CFRP布与混凝土,混凝土与钢筋粘结良好,无相对滑移;2)在受力过程中,CFRP布的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理;3)梁在加固前后的抗剪承载力足够;4)混凝土按初始各向同性的弹塑性材料考虑,开裂后按各向异性计算,且假设为连续均匀材料;5)假定混凝土单元里面的任何一个节点都能产生裂缝,不考虑时间(龄期)和环境温湿度的作用。
2.2 分析方案
如图1所示的钢筋混凝土梁[5],横截面尺寸为b×h=200 mm×400 mm,梁的跨度为L=3.0 m,支座宽度为250 mm,采用C20混凝土,梁内受拉纵筋为3ϕ20,架立筋采用2ϕ12,箍筋采用ϕ6@150,钢筋保护层厚度为25 mm。对于梁中所有钢筋,弹性模量为2.1×105 MPa,抗拉强度设计值为210 MPa,密度为7.8×103 kg/m3,泊松比为0.3。根据GB 50010,混凝土的弹性模量为2.55×104 MPa,轴心抗压强度设计值为9.6 MPa,轴心抗拉强度设计值为1.10 MPa,相应于峰值压应力的应变以及极限压应变分别为0.002和0.003 3。CFRP布的单层厚度0.11 mm,弹性模量2.5×103 MPa,参考文献:抗拉强度3 000 MPa,泊松比0.22,CFRP的本构关系为线弹性,即σcf=Ecfεcf。
采用三根相同的梁进行分析,图1中L1是未加碳纤维的梁,L2是在受拉区粘贴一层CFRP的梁,L3是在受拉区粘贴两层CFRP的梁。采用三分点加载。
2.3 模拟材料选择
采用Solid65来模拟混凝土,Solid65是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元,可以考虑塑性和徐变引起的材料非线性、大位移引起的几何非线性及材料的拉裂和压溃引起的非线性。该单元是三维实体单元,有8个节点,每个节点都有沿着X,Y,Z三个方向的自由度,单元能够发生塑性变形,可以在3个正交方向开裂和压碎。
采用Link8单元来模拟钢筋,该单元为三维空间实体,有2个节点,每个节点具有3个自由度,在X,Y,Z方向上的转动,承受单轴压力和拉力,在结构的连接点不考虑单元的弯曲,包括塑性、蠕变、膨胀、硬化和大变形能力。
采用Shell41单元模拟CFRP布,CFRP布的材料性能可以通过定义Shell41单元的输入参数来定义。Shell41是平面单元,考虑平面内刚度,不考虑平面外刚度,即弯曲刚度,适用单元的弯曲属于次要因素的壳结构。由于纤维布的厚度很小,通常忽略其弯曲刚度,因此采用Shell41单元来模拟[6]。可以在指定面上定义单元,不考虑相互错动,把混凝土和纤维布相邻的节点合并就可以实现混凝土和纤维布的位移协调。
2.4 ANSYS建模
根据以上的材料参数,在ANSYS中建立有限元模型如图2所示。
3 模型分析结果
通过以上的ANSYS建模和计算,最终得到的位移图,从ANSYS得出的变形图可知:随着碳纤维的粘贴方式的不同,其挠度或者应变是不同的。没有加碳纤维的梁其挠度变化较大,并且有一定的裂缝,裂缝分布较稀疏,但裂缝的宽度比较大;当受拉面上粘贴碳纤维时,其跨中挠度明显降低,裂缝细小且分布较均匀,说明加固梁受拉边的裂缝开展受到碳纤维的约束作用;受拉面粘贴双层碳纤维时,其挠度很小,裂缝分布均匀,并且都是十分细小的裂缝,这说明碳纤维抑制了裂缝的进一步发展,有效提高了梁的刚度,对结构的加固和保护起到了一定的作用。
对于CFRP布加固的钢筋混凝土简支梁,在跨中弯矩较大,在支座附近剪力较大,所以CFRP布等效应变的最大值出现在跨中和支座附近;距离跨中和支座较远处应变较小。加固后,梁跨中截面应力应变与未加固时相比均有减小,应变变化较明显;截面中线处应力应变均较小,离中线较远处,应力应变取值均变大。
4 结语
在荷载相同的情况下,加碳纤维比不加碳纤维的挠度小,而且在一定的厚度范围内,碳纤维的厚度越大,梁的挠度越小,变形越小,裂缝就越小,并且比较均匀。但是,不是无限的增大碳纤维量,较大的加固量可以提高梁的承载能力,同时也降低了梁的延性。
目前,对CFRP加固后结构的各种性能的研究还不够深入,本文应用大型通用有限元软件ANSYS来仿真模拟碳纤维加固混凝土梁,弥补了传统内力计算带来的不足,为确定合理的加固法提供了依据,对类似方案的加固和维修有一定的参考价值。
摘要：分析了碳纤维加固方法,并应用有限元软件ANSYS仿真模拟了碳纤维加固钢筋混凝土梁的工作性能,建立了数值分析模型。分析表明,应用碳纤维加固梁后,梁的跨中挠度和裂缝明显变小且分布均匀。
关键词：碳纤维增强聚合物,加固,有限元分析,钢筋混凝土梁
参考文献
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纤维素酶及其应用综述 第11篇
采用碳纤维布加固具有以下几个优点:1)抗拉强度高(抗拉强度约为二级钢的十几倍),可有效应用于结构抗弯、抗剪、抗压、抗疲劳、抗震、抗风、控制裂缝和挠度的扩展等工程;2)化学稳定性强,经过补强和维修的结构具有极强的抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力;具有足够的适应气温变化的能力,易于外加防火涂层后有效地防火;3)自重轻(约200 g/m2),基本不增加结构自重及截面尺寸;柔性好,易于裁剪,适用范围广,适合任何形状;4)施工简便(不需大型施工机械及周转材料,无需额外的施工作业场地),没有湿作业;5)施工工期短,经济性好。
1工程实例
某临街砖混结构建造于20世纪80年代,共2层,每层布置一道圈梁,2006年5月,建筑物立面改造,准备拆除部分承重墙,需对相应圈梁进行加固。经过方案论证和经济技术可行性比较,决定采用碳纤维复合材料进行加固。
1.1 加固理论以及假定
1.1.1 基本假定
碳纤维材料加固后混凝土梁的极限承载力计算采用如下基本假定:1)受拉区混凝土的作用忽略不计;2)梁受弯后,混凝土、钢筋及碳纤维应变符合平截面假定;3)碳纤维材料采用线弹性应力—应变关系:σcf=Ecf×εcf,且εcf<0.01。
1.1.2 实用公式
根据极限状态应力—应变关系,由平衡条件可得:
当x≥2a′时,
当x<2a′时,
其中,Mu为包含初始弯矩的总弯矩设计值;Acf为受拉面粘贴的碳纤维片材截面积;σcf为碳纤维片材抗拉强度设计值;As,As′分别为受拉钢筋、受压钢筋截面面积;fy,fy′分别为受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值。
1.1.3 规程公式
根据《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(报批稿)的规定,当混凝土受压区高度x>ζcfbh时,其极限弯矩:
M=fyAsx(h0-x/2)+fy′As′(h0-a′)+Ecf[εcf]Acf(h-h0) (3)
当混凝土受压区高度2a′≤x≤ζcfbh时,其极限弯矩:
M≤fyAs(h0-0.5ζcfbh)+Ecf[εcf]Acf(1-0.5ζcfb) (4)
当混凝土受压区高度x<2a′时,其极限弯矩:
M=fyAs(h0-a′)+Ecf[εcf]Acf(h0-a′) (5)
其中,界限相对受压区高度:
ζcfb=0.8εcu/(εcu+[εcf]) (6)
[εcf]=kmεcfu。
km=1-ncfEcftcf/420 000 (7)
其中,Ecf为碳纤维片材弹性模量;ζcfb为碳纤维片材达到其允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度;[εcf]为碳纤维片材的允许拉应变;km为碳纤维片材厚度折减系数;ncf为碳纤维片材的层数;tcf为单层碳纤维片材的厚度;εcu为混凝土极限压应变,取0.003 3。
1.2 圈梁加固设计
圈梁截面b×h=240×300,原配底筋2ϕ14(As0=307 mm2),面筋2ϕ12(As0′=226 mm2),钢筋为二级钢,圈梁混凝土等级为C20。
设计弯矩:Mu=28 kN·m。
1)按实用公式计算(因为圈梁原配筋截断位置不明,加固计算中不考虑原配筋作用)首先估算混凝土受压区高度:
根据式(2),解得:
x=M/α1fcb(h-a′)=28×106/1.0×9.6×240×(300-30)=45 mm,
Acf=α1fcbx/σcf=1.0×9.6×240×45/3 545=29.3 mm2。
2)按规程公式计算(因为圈梁原配筋截断位置不明,加固计算中不考虑原配筋作用)。
km=1-ncfEcftcf/420 000=0.88,[εcf]=kmεcfu=0.011,取[εcf]=0.01。
界限相对高度:ζcfb=0.8×0.003 3/(0.003 3+0.01)=0.198 5。
x=ζcfbh0=0.198 5×270=52.6 mm<2a′=60 mm。
根据式(5),解得:
Acf=M/Ecf[εcf](h0-a′)=28×106/2.28×105×0.01×(270-30)=51.2 mm2。
3)设计结论。
本设计采取在梁底粘贴240 mm宽碳纤维布2层(Acf=52.8 mm2),可满足设计和使用要求。
2构造做法
为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴160 mm宽U形箍1道,在主次梁相交处每侧粘贴160 mm宽U形箍1道,具体做法如图1所示。
3加固施工
3.1 基底处理
1)混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除,对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复。2)用混凝土角磨机、砂纸等机具除去混凝土表面的浮浆、油污等杂质,构件基面的混凝土要打磨平整,尤其是表面的凸起部位要磨平,转角粘贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状(R≥20 mm)。3)风机将混凝土表面清理干净,并保持干燥。
3.2 涂底胶
1)按配合比主剂∶固化剂=3∶1配置底胶。将主剂与固化剂先后置于容器中,用弹簧秤计量,电动搅拌器均匀搅拌。根据现场实际气温决定用量并严格控制使用时间,一般情况下20 min～50 min内用完。2)将底胶均匀涂刷于混凝土表面,待胶固化后(固化时间视现场气温而定,以指触干燥为准)再进行下一工序施工。一般固化时间为6 h～24 h。
3.3 找平
1)混凝土表面凹陷部位应用修补剂填平,模板接头等出现高度差的部位应用修补剂填补,尽量减小高度差。2)转角处也应用修补剂修补成光滑的圆弧,半径不小于20 mm。待修补剂表面指触干燥后方可进行下一步工序。
3.4 粘贴
1)按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。2)调配、搅拌粘贴材料粘结剂(使用方法与底胶相同),然后均匀涂抹于待粘贴的部位,在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象,特别注意要粘贴碳纤维的边缘部位。3)粘贴碳纤维布,在确定所粘贴部位无误后,用特制工具反复沿纤维方向滚压,去除气泡,并使粘结胶充分浸透碳纤维布;并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀。多层粘贴应重复上述步骤,待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的粘贴。4)在碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压,并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀。5)在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘结胶。用工具反复沿纤维方向滚压,并用刮板刮涂碳纤维布表面粘结胶,使之均匀。6)碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于200 mm。
3.5 保护
加固后的碳纤维布表面采用抹灰或喷防火涂料进行保护。
3.6 质量要求
1)每一道工序结束后均应按工艺要求进行检查,并做好相关的验收记录,如出现质量问题,应立即返工。2)施工结束后的现场验收以评定碳纤维布与混凝土之间的粘结质量为主,用小锤等工具轻轻敲击碳纤维布表面,以回音判断粘结效果。如出现空鼓等粘贴不密实的现象,应采用针管注粘结胶的方法进行补救。粘结面积若少于90%则判定粘结无效,需重新施工。3)严格控制施工现场的温度和湿度。施工温度在5 ℃～35 ℃范围内,相对湿度不大于70%。
4结语
文中碳纤维加固计算主要是针对抗弯承载力不足进行说明的,对抗压不足、抗裂不足等,计算原理大同小异,在加固过程中,只要针对具体情况,进行力学计算,然后按照现有工艺施工,就可以达到较好的加固效果,获得预期的社会经济效益。
摘要：结合具体工程,介绍了碳纤维复合材料在结构加固中的计算方法以及施工工艺,归纳总结了碳纤维布加固的优点,并对碳纤维技术的加固理论进行了探讨,为类似工程提供了参考借鉴。
关键词：碳纤维复合材料,结构,加固技术,质量
参考文献
[1]GB 50010-2001,混凝土结构设计规范[S].
