摘 要:介紹了FRP 復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢,從材料性能、施工性能、經(jīng)濟(jì)性能、適用性和安全性等方面對碳纖維和芳綸纖維進(jìn)行了對比研究,指出了芳綸纖維布在設(shè)計(jì)、施工方面及應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢,以供參考借鑒。
關(guān)鍵詞:芳綸纖維,碳纖維,復(fù)合材料,混凝土結(jié)構(gòu)
中圖分類號: TU746. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
引言
FRP 復(fù)合材料因其較低的密度、極高的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的抗腐蝕性能在混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)與加固中大量應(yīng)用,它是一種高性能纖維布與高強(qiáng)度粘結(jié)劑、固化劑的復(fù)合體。最常用的纖維布為碳纖維布與芳綸纖維布。
碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)從20 世紀(jì)80 年代在國際上開始研究應(yīng)用,我國是在1997 年起正式開始對碳纖維增強(qiáng)塑料加固修復(fù)(CFRP) 土木建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的,從1998 年起開始應(yīng)用于實(shí)際工程[1 ] ,現(xiàn)在我國FRP 方面已出臺加固設(shè)計(jì)規(guī)范———CECS 146∶2003 碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。
芳綸材料( KevlarÓ) 是美國杜邦公司最早于70 年代研制開發(fā)的[ 2 ] ,大量用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)則開始于1995 年日本阪神地震之后。2000 年芳綸纖維布在日本的使用量僅為4. 5 萬m2 ,2001 年則上升為20 萬m2 ,預(yù)計(jì)今后10 年內(nèi)是應(yīng)用的飛速增長期。芳綸纖維結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用剛起步,但其優(yōu)越的材料性能(如它的不導(dǎo)電性、韌性及抗沖擊等方面) 和便捷的施工操作性,已受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。
1 性能分析評價(jià)
1. 1 材料性能比較
芳綸纖維和碳纖維作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域的新型非金屬復(fù)合材料,具備幾個(gè)特點(diǎn):1) 高彈性模量,高抗拉強(qiáng)度;2) 低密度;3) 耐久性好,抗腐蝕、耐老化;4) 疲勞強(qiáng)度高;5) 各項(xiàng)異性;6) 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為線性(見圖1) 。
兩種纖維材料性能的詳細(xì)比較見表1 。
上述兩種纖維的強(qiáng)度均為材料本身的強(qiáng)度,而不是纖維布的強(qiáng)度,具體纖維布的強(qiáng)度如下:
1) 碳纖維:0. 11 mm 和0. 167 mm 為常用的兩種規(guī)格,強(qiáng)度3 000 MPa ,由于碳纖維發(fā)生的是脆性破壞,破壞前沒有一點(diǎn)征兆,所以考慮的安全儲備系數(shù)一般為0. 5～0. 7 ,即能發(fā)揮的強(qiáng)度有0. 6 ×3 000 = 1 800 MPa。
2) 芳綸纖維:AK240 和AK260 為常用的兩種規(guī)格,厚度分別為0. 193 mm 和0. 286 mm ,強(qiáng)度2 060 MPa ,由于芳綸纖維的韌性特別好,所以它的安全儲備系數(shù)一般為0. 75～0. 95 ,即它能發(fā)揮的強(qiáng)度有0. 85 ×2 060 = 1 751 MPa。
所以強(qiáng)度的有效值是相當(dāng)?shù)?但碳纖維加固后的構(gòu)件破壞形式為脆性破壞,使其比較適合于承受長期靜荷載的結(jié)構(gòu),而芳綸纖維的抗局部沖擊能力強(qiáng)(從早期用于做防彈衣可以看出) ,因此比較適合于承受動(dòng)載的構(gòu)件。
另外,FRP 材料之所以用來加固,主要是在于纖維布浸透樹脂后,通過樹脂與混凝土間良好的粘結(jié)能力來達(dá)到一種協(xié)調(diào)變形,共同承受荷載。由于芳綸布和樹脂同為有機(jī)材料,兩者之間的結(jié)合力很強(qiáng);而樹脂與無機(jī)材料碳纖維結(jié)合時(shí),滲透能力就不如芳綸好,這樣碳纖維就只能做得很薄了,而且要使它充分浸透,工期比芳綸纖維要長很多,也就相應(yīng)增加了綜合造價(jià)。
1. 2 施工性能比較
與碳纖維布相比,芳綸纖維布的柔性更為突出,施工中可以在現(xiàn)場用剪刀裁剪成所需形狀和尺寸(芳綸纖維布抗剪性很好,需用陶瓷剪刀或電圓鋸裁剪;而碳纖維布用一般剪刀即可裁剪) ,對構(gòu)件的不同外形都有極高的適應(yīng)能力。由于芳綸纖維布重量輕,無需吊裝設(shè)備,采用小型機(jī)具手工操作即可完成,在較小的空間也可施工( 10 cm) , 施工速度快, 周期短, 正常條件下可達(dá)25 m2/ (人·d) ,且粘貼質(zhì)量容易保證。另外,纖維表面易于涂裝,較好地適應(yīng)了環(huán)境要求,可最大限度減少修補(bǔ)痕跡。
有必要指出的是,碳纖維布要求倒角半徑不小于40 mm ,而芳綸纖維10 mm 即可;在貼纖維片時(shí),兩者前提都要求底膠干燥,但芳綸纖維自然干燥時(shí)間為1 h～2 h ,碳纖維一般需3 h～24 h(碳纖維布對樹脂的浸潤性低于芳綸纖維布) ;此外,芳綸纖維的養(yǎng)護(hù)時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí),而碳纖維則需7 d～14 d。
1. 3 經(jīng)濟(jì)性能比較
與碳纖維布類似,芳綸纖維材料價(jià)格要高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料,但其綜合造價(jià)卻相對低一些。主要體現(xiàn)在以下幾方面:1) 在運(yùn)輸、存儲、裝卸、加工和維護(hù)過程中的費(fèi)用較少;2) 施工不需大型設(shè)備和機(jī)具,減少了機(jī)械臺班費(fèi),同時(shí)減少了對結(jié)構(gòu)正常使用的干擾;3) 由于施工速度快,縮短了施工周期,節(jié)省了人工費(fèi)用;4) 耐久性好,相應(yīng)地也就減少了維修費(fèi)用。從國外已有工程實(shí)踐來看,大中型結(jié)構(gòu)如橋梁用碳纖維加固的綜合費(fèi)用比粘貼鋼板綜合費(fèi)用低,綜合性能也好。國產(chǎn)碳纖維材料價(jià)格比較低(相對而言質(zhì)量有待提高) ,進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳纖維材料的價(jià)格與芳綸纖維材料的價(jià)格相當(dāng)。
1. 4 適用性比較
纖維材料補(bǔ)強(qiáng)廣泛適用于橋梁、地鐵、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)與民用建筑、水塔、水池、煙囪等幾乎土木工程的各個(gè)領(lǐng)域,基本涵蓋了混凝土受拉、受壓、受彎和受剪的加固。碳纖維布在順纖維方向具有很高的拉伸強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度,而抗壓抗剪強(qiáng)度較低,因此主要適用于混凝土結(jié)構(gòu)受拉的加固,尤其適用于梁的加固,但因其破壞呈脆性,設(shè)計(jì)時(shí),安全系數(shù)必須充分考慮。與碳纖維材料一樣,同為復(fù)合材料的芳綸纖維的材料抗壓強(qiáng)度較低,但其抗剪性能優(yōu)秀,因此用作墩柱的抗剪和抗震補(bǔ)強(qiáng)是非常理想的。
1. 5 安全性比較
FRP 復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu),其技術(shù)性能是否達(dá)到要求,關(guān)鍵在于纖維布與混凝土之間的粘結(jié)性是否能夠保證。目前纖維布與混凝土間剝離破壞的機(jī)理研究尚不成熟,但根據(jù)已有試驗(yàn)研究成果,在規(guī)定的設(shè)計(jì)和施工方法下,用合格的增強(qiáng)纖維復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)可以有效地提高混凝土構(gòu)件的承載力、剛度,減小構(gòu)件的撓度,改善構(gòu)件的延性和限制裂縫的擴(kuò)展,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[ 1 ] ,從而延長其服務(wù)年限。
2 結(jié)語
文中介紹了FRP 復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上對兩種復(fù)合材料———芳綸纖維布和碳纖維布的各項(xiàng)性能進(jìn)行了比較論述,指出了芳綸纖維布在設(shè)計(jì)、施工方面及應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢,供大家選擇參考。
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