[摘要] 碳纤维在大型结构的安全评估和寿命预测中起着非常重要的作用。碳纤维、玻璃纤维、碳颗粒、陶瓷颗粒、电热丝的融合应用，已成为大型构件智能化发展的主流趋势。简要介绍了碳纤维复合材料在智能建筑结构中的具体应用。
[关键词]纤维复合材料；智能建筑结构；应用程序
1简介
随着经济和科技的发展，推动了建筑业的进步。建筑行业智能建筑结构的数量与日俱增，功能更加丰富，可以满足居民的个性化需求。碳纤维复合材料是一种新型结构材料，在许多方面显示出巨大的优势。因此，在智能建筑结构中，碳纤维复合材料的应用也成为人们关注的焦点。
2碳纤维复合材料概述
碳纤维本身具有很强的特殊性，含有大量的碳元素，种类繁多。其中，含碳量是影响碳纤维种类的主要因素，通常碳纤维的含碳量在90%以上。碳纤维具有良好的耐腐蚀性、导电性、导热性和耐高温性。此外，碳纤维具有优异的柔韧性，容量小，强度高，可应用于各种织物的加工，碳纤维轴具有良好的定向强度。再者，碳纤维还具有优异的力学性能，碳纤维的重量不到钢的四分之一，碳纤维复合材料的抗拉强度是钢的7-10倍，弹性模量高。碳纤维材料与树脂材料融合后，可以形成性能更好的碳纤维复合材料。与其他材料相比，碳纤维复合材料的优势是显著的。碳纤维复合材料固有频率高，有效避免了共振问题。其次，碳纤维复合材料具有优异的耐久性、耐盐性、耐酸性、耐碱性和耐腐蚀性。最后，碳纤维复合材料非常柔软，这与树脂材料流动性好有关。碳复合材料的形状多样灵活，选择空的余地大。这种材料可以满足不同建筑结构的要求[1]。
3碳纤维安全监测与声音诊断技术
为了有效地监测大型建筑构件的稳定性和安全性，研究人员制作了用于大型建筑结构安全诊断的传感器导线，碳纤维的应用范围得到了显著扩展。碳纤维束受力后，纤维丝断裂，破坏了碳纤维的导电性。碳纤维电导率的降低程度与碳纤维所受的应力呈正相关。基于埋入的碳纤维丝的电阻变化，可以监测混凝土和相关构件的应力和变形动态。当电阻值持续上升时，证明材料处于临界状态。如果碳纤维的电阻值继续上升，将会造成不可挽回的损失。从历史可以看出，碳纤维复合材料可以预测混凝土结构材料的寿命，也可以分析早期材料的受力情况[2]。为了充分发挥监测钢筋的加固作用，需要在钢筋中加入适量的玻璃纤维碳纤维。玻璃纤维的弹性模量小，碳纤维的允许变形大。碳纤维断裂后，碳纤维玻璃纤维仍能发挥其增强作用，从而避免了碳纤维断裂信号发出后立即出现大规模结构断裂的问题。为了提高检测灵敏度，可以在碳纤维周围加入适量的导电片状碳粉和其他具有导电性能的陶瓷粉末碳纤维。由于碳纤维和碳纤维复合材料具有强大的自诊断功能，主要分为不含导电颗粒的碳纤维和含导电颗粒的碳纤维。比如碳纤维中含有导电颗粒，具有很强的导电性。如果碳纤维受力，碳纤维导电颗粒之间的界面会对应力敏感，产生相对滑移，破坏导电性，增加电阻值。在碳纤维与碳纤维融合形成的复合材料中，可以清楚地看到片状碳颗粒均匀分布在碳纤维细丝之间。在导电颗粒棒中加入碳纤维后，电阻值的变化范围明显增大，从而提高了监测的灵敏度和诊断的可靠性。这种碳纤维复合材料现在广泛应用于智能结构的诊断[3]。
3.1人为损害监测和预警的应用
树脂可以将玻璃纤维和碳纤维粘结成杆状，交叉后可以形成网状结构。两侧覆盖适量的混凝土后，就可以做成银行安全墙了。网状导电墙使用碳纤维后，所有钻孔的电信号值都会发生显著变化，然后碳纤维就会报警。所以碳纤维也可以用在偏远地点的自动售货机和自动取款机的壁材上。如果是人为损坏，可以第一时间报警。碳纤维的应用要求成本不高，耐久性强，被小偷发现的几率小[4]。
3.2高层建筑倾斜和变形监测的应用
将高灵敏度的碳纤维复合材料连接到高层建筑的混凝土钢筋上，可以有效地监测高层建筑中许多位置的变形以及应力超出正常范围的位置。将碳纤维材料埋入高层建筑的混凝土墙体中，可以准确掌握建筑中许多部位的应力和变形动态，从而维护建筑的安全性。
3.3水泥管道泄漏监测的应用
碳纤维主要布置在钢筋混凝土管道的外壁上，平行于管道轴线。当碳纤维周围的含水量增加时，电导率也会增加。可以通过监测电阻值的变化来判断管道泄漏的大致情况。在测量中，选择交流电阻测量。交流频率为1kHz，电压为5V。当水分渗透到碳纤维中时，电阻值会增加2 ~ 3倍[5]。
3.4应用混凝土碱性材料清洗
混凝土中的碱性物质是引起钢筋腐蚀和混凝土裂缝的主要因素。混凝土使用一段时间后，碳纤维中的碱性物质表现出聚集现象，同时可以移动到钢筋表面，对钢筋造成腐蚀，引起水泥开裂。合理使用埋入碳纤维中的导电丝，可以及时消除混凝土中的碱性物质，延长混凝土构件的使用寿命。原理是在含有碳纤维棒或线的混凝土两端施加高压直流电。导电碳纤维可以吸附混凝土中的碱性物质，移动到混凝土表面，清洗后去除碱性物质。这种方法广泛应用于重要建筑物的保护和维修。每三年应对碳纤维进行维护，以防止混凝土被碱侵蚀。
3.5在废弃混凝土墙拆除中的应用
充分利用碳纤维复合材料中嵌入的杆可以加热墙壁并提高室温。碳纤维在通电过程中会持续发热。因此，研究人员可以在给含有碳纤维的复合材料棒通电后，使壁温提高5℃ ~ 20℃。该技术在地下反[/k0/]孔墙和库墙中能充分发挥其作用和价值。使用时只需保持电压在10V以下，不会威胁到人的生命安全。据相关报道，合理使用碳纤维埋设法，反复通电加热，可使墙体产生微裂缝，进而成功拆除废弃混凝土墙体[6]。
4碳纤维毡涂层内部缺陷裂纹
红外诊断技术，如碳纤维涂层混凝土墙或桥墩，不能及时发现新的裂缝和缺陷。为了更好地监测碳纤维内部的裂纹动态，可以在碳纤维布的底部铺设高效的电热丝(见图1)。当向电热丝施加小电压时，电热丝明显升温，产生固定波长的红外线。通过红外摄像机观察通电后红外热像的变化，可以明确碳纤维布是否存在裂纹和变形问题[7]。如果碳纤维布下面没有变形和裂纹，红外图像应该是均匀对称分布的。在有裂纹或缺陷附件的位置，红外图像会受到缺陷形状和大小的影响，出现不规则的碳纤维。根据红外图像，可以分析确定裂纹的具体位置、大小和深度。加热电压只有3V-10V。如果有疑问，可以随时检测，检测效率高，不需要在检测上投入高成本。这种技术也成为近表面内部裂纹检测中广泛使用的方法[8]。
5结论
总之，高强度碳纤维材料一方面是用于军事领域的重要材料，另一方面也在民用领域发挥着重要作用。这种材料在成分和性能上具有显著的优势，同时满足了人们对生活环境的客观要求。随着碳纤维技术的发展，制造成本明显下降，为碳纤维的广泛应用奠定了坚实的基础。积极推动碳纤维材料在工程建设和社会发展中的应用，特别是在智能建筑结构中的应用，也成为碳纤维材料的主流发展趋势，有利于提高技术水平，值得建筑行业的高度重视，成为推动行业进步的巨大助力。
