揭秘中國石化碳纖維筋的超能力
產品名片
1碳纖維如何制成碳纖維筋？
碳纖維筋是以連續碳纖維作為增強材料，與樹脂基體采用適當的成型工藝所形成的棒狀碳纖維增強復合材料。其中，碳纖維是主要承載部分，碳纖維的拉伸強度及拉伸模量對碳筋的強度、撓度有決定性影響。而樹脂基體的作用是將碳纖維復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，并決定了產品的耐濕熱性能。
2碳纖維筋具有什么特性？
碳纖維筋具有高強度、輕質量、耐腐蝕、抗疲勞等優點，抗拉強度最高逾3000兆帕，相對密度僅為鋼筋的1/5，耐疲勞性能顯著優于鋼筋；在酸、堿、鹽和潮濕等惡劣環境中耐化學腐蝕性優異；纖維筋振動衰減特性優于鋼材，吸能減震效果更好。
3碳纖維筋主要應用在哪里？
碳纖維筋除了應用于傳統的建筑物加固，因其質量輕、耐腐蝕、抗疲勞性能好，有望成為惡劣環境下傳統鋼制體外預應力筋的替代品。在高層建筑、大跨度橋梁和港口碼頭及海底隧道等基礎設施中，傳統的普通鋼筋混凝土結構在耐久性、腐蝕性及自身強度方面的劣勢明顯，碳纖維筋替代傳統鋼筋，可使混凝土在特殊結構或惡劣環境下仍能發揮作用。
將數十根甚至數百根較細的碳纖維筋集結成拉索，可應用于大跨度橋梁。這得益于碳纖維筋較高的比強度和比模量，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，實現具有輕量化、長壽命特征的高性能橋梁結構。
4從碳纖維到碳纖維筋
碳纖維筋一般由拉擠工藝成型。拉擠成型是指生產具有恒定橫截面連續長度的纖維增強聚合物制造工藝，其工序為將碳纖維從紗架中引出，由導紗板按?？谛螤顚⒗w維收集成束，并將其引導到膠槽樹脂浴中。碳纖維有規律地通過膠槽，膠槽中的樹脂充分浸潤增強纖維，并通過膠槽內部部件將纖維表面浸潤的樹脂擠壓均勻，而后進入成型區，即模具。
模具前一般配有預成型模，在預成型模處多余的樹脂被擠出，之后進入加熱的成型模具。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。
5碳纖維筋的分類
碳纖維筋按表面狀態劃分，主要有光筋（光面筋）、螺紋筋（帶肋筋）兩種。根據實際應用場景，還有其他種類。
·光筋（光面筋）
表面光滑，通常制成碳纖維復材拉索替代鋼拉索，用于斜拉橋、懸索橋、大跨結構。
·螺紋筋（帶肋筋）
表面有凹槽，可以增加與混凝土的結合性能，通常作為預應力筋替代鋼筋。
6客戶反饋
“過去數年，我們與上海石化在碳纖維復合材料的土木工程應用研究領域深入合作、協同攻關，為我們拓展國產碳纖維復合材料在土木工程領域的應用提供了強有力的支撐和保障。合作的工程打造了中建八局在土木工程行業創新應用碳纖維復合材料的亮麗名片。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遇，共同拓展國產碳纖維復合材料在土木工程領域的應用，繼續譜寫行業發展新篇章。”
——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用
上海石化碳纖維筋生產現場。
碳纖維筋（索）因具有輕質量、高強度、耐腐蝕等優勢，作為新型先進土木工程材料，在土木工程中的研究和應用已有多年的歷史。相比發達國家，我國對碳纖維復合材料的研究起步較晚。國內研究人員于上世紀末開始碳纖維復合材料在土木工程領域的應用研究，取得一大批創新性的研究成果，已完成FRP（主要是碳纖維片材）加固工程千余項，創造了巨大的經濟和社會效益。
在新型土木結構中應用碳纖維復合材料，不僅對其性能有更高的要求，而且需要進一步降低成本。大絲束碳纖維性價比高，是降低碳纖維復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月建成投產國內首套48K大絲束碳纖維全國產化生產線，一舉改變我國大絲束碳纖維全部依賴進口、長期供不應求的局面，有力推動了國產碳纖維產業躋身世界前列。上海石化不斷提升48K大絲束碳纖維力學性能，目前所生產的48K大絲束碳纖維拉伸強度已穩定在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提供了穩定、低成本的原料。
同時，上海石化復合材料研發團隊在拉擠工藝及拉擠設備適配性配套方面進行攻關，提高了大絲束碳纖維的強度發揮率及性能穩定性。在此基礎上，上海石化聯合中建八局及國內科研院所，大力推進低成本高性能碳纖維筋在各應用場景的示范性應用。
專家視點：碳纖維筋市場前景廣闊
嘉 賓：上海石化先進材料創新研究院研發專家 黃勝德
碳纖維不僅具有較高的力學性能，以其制成的復合材料筋也有優異的耐腐蝕性能。利用碳纖維筋替代鋼筋增強混凝土, 不僅可以增強材料整體的力學性能，而且可以有效延長其使用壽命，實現橋梁結構的全生命周期設計。
碳纖維筋用作橋梁的預應力筋、體外筋在國外已經得到廣泛使用。國內外應用實例表明，碳纖維筋具有的多項優良性能，是鋼結構預應力筋的潛在替代選項，在建筑橋梁上具有廣闊的應用前景。其作為一種新型的復合材料，與現有的鋼筋相比，具有輕質量、高強度、耐腐蝕等特性，在橋梁設計、施工，尤其是后期的維修加固中具有鋼筋所不可比擬的優勢。隨著國家對橋梁耐久性和全生命周期經濟性要求日益提高，碳纖維筋材料在橋梁工程中的應用日益廣泛。同時，隨著國內碳纖維產能急速增長，碳纖維筋成本大幅下降，性價比逐步提升，將越來越被社會認可，發展前景更加廣闊。
下一步，我們將基于現有技術，開發熱塑性碳纖維筋材料，解決傳統熱固性碳纖維筋材料無法在現場二次加工的難題，形成新一代全碳纖維筋材料施工技術。在后續的市場推進過程中，我們將重點針對臨水、臨海應用，發揮碳纖維筋的優勢，以筋索材及結構件的形式替代傳統鋼筋建材，解決海水侵蝕、遠海運輸成本高的問題。
應用場景
山東青島?？诼房顼L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的碳纖維吊桿，成功應用于青島?？诼房顼L河大橋，是我國首個應用大絲束碳纖維索錨體系的橋梁工程。
據了解，該橋總長377米，主橋為獨塔斜拉-連續梁協作體系，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。碳纖維筋具有輕質量、高強度、耐腐蝕、抗疲勞等優勢，應用于橋梁工程可有效解決傳統鋼索自重大、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成本。此外，碳纖維筋還具有超強長期持荷性能，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、碳纖維索替代原設計中的鋼筋、鋼索，廣泛用于潮濕、水下、海洋、化工等腐蝕性強的環境，先后在京臺高速公路、重慶兩江四岸朝天門片區治理提升、某西南高原鐵路等工程項目中進行示范應用，應用量在3萬米以上。
相比小絲束碳纖維，大絲束碳纖維具有成本低、制備效率高等優勢，但也存在樹脂浸潤難度大的難題。上海石化通過攻關形成了大絲束拉擠技術，有效解決浸潤難題，制備出包括大絲束碳纖維筋在內的不同直徑、不同形狀的大絲束碳纖維型材系列產品。
江蘇連云港至淮安段氣膜結構砂石料場
2023年9月，由上海石化生產的48K大絲束碳纖維制成的筋索，成功應用于中建八局長春—深圳高速公路項目連云港至淮安段氣膜結構砂石料場。這是碳纖維復合材料在我國氣承式膜結構索網系統中的首次應用，也是我國土木工程領域迄今應用的最長碳纖維筋索。
該氣膜結構長105米、寬72米、高27米。據分析，原氣膜結構在風荷載下的位移較大。為進一步提高臺風期間氣膜結構的可靠性，該工程沿氣膜長度方向增設兩道碳纖維預應力索，用于增強氣膜結構的抗側剛度。碳纖維索設置于原氣膜結構索網外側，在氣膜內部氣壓作用下主要承受拉力。
上海石化生產的48K大絲束碳纖維因拉擠成型工藝優勢，可滿足廠商后期不同產品的制作應用要求。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械，實現高效安裝。
碳纖維復合材料在氣承式膜結構索網系統中的成功應用，展現了碳纖維筋索的獨特優勢，拓展了碳纖維復合材料在建筑領域應用的新場景，為超大結構工程降低能源消耗、延長使用壽命奠定了應用基礎。
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到兩百年一遇的高潮位（6.83米）、12級風（32.7米/秒）防御標準。
值得一提的是，在該項目6次圍堤加裝的柵欄板結構中，首次采用了由上海石化自主研發生產的碳纖維筋。該材料輕質量、高強度、耐腐蝕，尤其適用于工業腐蝕環境、海洋工程，為新型材料在建筑工藝上的應用做出了創新性的嘗試，并提供了較為可靠的先行數據。
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根輕質量、高強度、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了國產碳纖維應用于邊坡工程零的突破，是國產大絲束碳纖維預應力錨索首次應用在高海拔地區，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估，應用新型碳纖維錨索加固邊坡可延長工程結構的使用壽命、降低運維成本，顯著降低工程結構全生命周期的能耗和碳排放。
重慶兩江四岸核心區治理提升項目
2021年底，重慶兩江四岸核心區治理提升項目開工建設。該項目位于重慶朝天門核心區域，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，拓展了國產碳纖維復合材料的應用場景。
使用的碳纖維螺紋筋在城墻墻體施工方面體現了能耗低、施工方便及勞動強度低等優點。此外，碳纖維筋有較強的耐腐蝕能力，有效避免了城墻反復被水浸潤引發的連接鋼筋銹蝕的問題，從而延長仿古城墻的使用壽命、提升施工質量。
京臺高速公路改擴建工程項目
2021年，上海石化預應力碳纖維筋束增強混凝土梁在京臺高速公路山東泰安至山東棗莊（魯蘇界）段改擴建工程第二標段進行了示范應用。
相比預應力鋼絞線混凝土梁，預應力碳纖維筋束增強混凝土梁具有強度高、重量輕的優勢，使預應力混凝土構件截面尺寸減小，能夠減輕混凝土結構的自重，繼而提高結構抵抗使用荷載的有效性、增加結構的跨越能力。同時，可有效避免由于混凝土劣化、開裂等原因導致內部預應力筋腐蝕、結構承載力降低等問題，有效延長橋梁結構在車輛荷載作用下的使用壽命。
