摘 要: 碳纖維復合材料(CFRP) 作為一種新型材料, 有著優(yōu)良的物理特力學性能. 近年來在土木工程中的應用越來越廣泛. 綜述了CFRP 的發(fā)展歷程及主要研究成果. 分析了CFRP 的材料特性, 并對其優(yōu)缺點進行了對比分析. 同時對國內(nèi)外新開發(fā)的CFRP 筋專用錨具作了簡單介紹.
關鍵詞: 碳纖維; 材料特性; 錨具; 土木工程; 綜述
中圖分類號: TU 5 文獻標志碼: A
混凝土結構是土木工程中最主要的結構形式, 但混凝土結構存在鋼筋銹蝕、混凝土碳化等現(xiàn)象, 因此存在結構耐久性和抗疲勞性不好等問題, 尤其是處于侵蝕性和暴露環(huán)境下的混凝土結構受損更加嚴重. 每年用于橋梁維修和加固的資金巨大, 因此, 開發(fā)新型材料用以提高結構性能成為土木工程領域的一個趨勢. 碳纖維復合材料CFRP (Carbon F iber Reinfo rced Po lym er) 已成為土木工程的研究熱點[ 1～ 30 ].
1 碳纖維復合材料(CFRP) 的發(fā)展歷程
纖維增強聚合物復合材料FRP (F iber Reinfo rced Po lym er) 問世于20 世紀40 年代. CFRP 最開始由美國制造. 1950 年, 美國空軍基地在2 000℃高溫下牽引人造絲得到CFRP[ 30 ]. 1959 年美國聯(lián)合碳化公司以粘膠纖維為原絲制成纖維素基CFRP; 1962 年, 日本碳素公司實現(xiàn)低模量聚丙烯腈基CFRP 的工業(yè)化生產(chǎn); 1963 年英國航空材料研究所開發(fā)出高模量聚丙烯腈基CFRP; 1965 年日本群馬大學試制造出瀝青或木質(zhì)素為原料的通用型CFRP; 1969 年, 日本大谷杉郎從特殊的共聚PAN 中生產(chǎn)出高強、高彈模的CFRP (芳香族聚酰胺纖維) ; 1970年, 日本吳羽化學公司實現(xiàn)瀝青基纖維的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn); 1972 年, 美國杜邦公司生產(chǎn)出密度為1. 2～ 1. 5 töm 3強度達3 000M Pa 的A ram id (阿拉米德) CFRP; 1980 年美國金剛砂公司研制出酚醛纖維為原絲的活性碳纖維并投放市場; 1996 年全世界碳纖維總生產(chǎn)量已達17 000 t, 其中聚丙烯腈基纖維占85% , 其余是瀝青基纖維.2002 年世界聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)能力約為3. 1 萬t, 其中75% 是小絲束碳纖維, 25% 是大絲束碳纖維. 1996～ 2000 年世界高性能碳纖維的生產(chǎn)能力詳見表1. 碳纖維材料主要由日本生產(chǎn), 美國其次. 其他國家產(chǎn)量很少.根據(jù)原料和制造方法的不同, CFRP 分為PAN 系CFRP 和瀝青系CFRP 兩大類. 目前在工程中應用的CFRP 是由多股連續(xù)纖維與樹脂膠合后經(jīng)過擠壓和拉拔成型得到的.
2 碳纖維在土木工程中的應用研究現(xiàn)狀
2. 1 國外的應用研究狀況
CFRP 材料首先應用于航天工業(yè), 這項技術在20 世紀70 年代已趨于成熟. 在土木工程中的應用始于20 世紀60 年代的美國. 但當時試驗結果不理想, 而且價格很高, 所以在其后的二十多年里, FRP 材料在土木領域的研究與應用沒有得到很大的發(fā)展. 在土木工程中的應用研究直到80 年代初才開始重視, 但相關的研究主要集中在歐美、日本和澳大利亞等國[ 1, 4 ]. 應用范圍多集中于橋梁、海工構筑物、非磁性建筑等工程, 其中橋梁方面應用較多.
1991 年7 月, 瑞士聯(lián)邦材料測試研究所首次在總長228m 的多跨連續(xù)箱型梁橋( Ibach 橋) 進行了碳纖維加固試驗并獲得了成功. 20 世紀90 年代國際上對碳纖維材料在土木工程中的應用進行了廣泛和系統(tǒng)的研究, 尤其在橋梁、隧道和房建加固工程中首先得到了廣泛應用. 有些發(fā)達國家已編寫了相關的設計, 施工規(guī)程, 指南和手冊. 1997 年英國至少在30 座橋梁和結構物中采用CFRP 加固和修補技術. 美國和加拿大的鹽害較嚴重, 約有60 萬座橋梁受害, 需要加固和修復. 美國混凝土協(xié)會(AC I) 已經(jīng)成立了專門委員會(AC I440) , 在美國很多機構開始CFRP 的應用研究; 加拿大也已經(jīng)建立了相關的研究開發(fā)基地, 并且編制CFRP 的規(guī)程. 日本在土木工程中應用CFRP 已經(jīng)有20 多年的歷史.
2. 2 國內(nèi)的應用研究狀況
我國對土木結構方面的CFRP 研究起步比較晚, 在1996 年前后才開始[ 28 ]. 目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修復混凝土結構. 最初只有國家工業(yè)建筑診斷與工程技術研究中心進行相關研究, 后來清華大學、同濟大學、湖南大學、哈爾濱工業(yè)大學等十余所高校相繼開始, 并在在板梁柱的模型實驗和加固與修復方面取得實質(zhì)性成果[ 29 ]. 直到1998 年才有少量的工程開始應用. 2000 年, 成立了全國纖維增強塑料(FRP) 及工程應用專業(yè)委員會, 并在同年6 月召開了“首屆FRP 混凝土結構學術交流會”. 我國已編制并頒布了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》,《結構加固修復用碳纖維片材產(chǎn)品標準》和《結構加固修復用粘貼樹脂產(chǎn)品標準》.
FRP 國家規(guī)范正在編制中.
近年來, FRP 的應用研究發(fā)展很快, 我國已有部分企業(yè)開始生產(chǎn)GFRP 和CFFP 筋. 在修復和加固混凝土結構方面, 理論上已經(jīng)比較成熟, 技術上也日趨完善.
3 FRP 的分類及材料特性
纖維增強聚合物復合材料FRP 是由包裹在樹脂母體中的連續(xù)纖維做的[ 26 ]. 以纖維為增強材料, 樹脂為基體由材料, 并摻加輔助劑, 經(jīng)拉拔成型和必要的表面處理形成的一種新型復合材料[ 24 ]. 樹脂主要起粘結作用.土木工程領域常用的FRP 材料按纖維成分主要劃分為[ 27 ]: 碳纖維增強聚合物復合材料CFRP (Carbon F iberReinfo rced Po lym er)、玻璃纖維增強聚合物復合材料GFRP (Glass F iber Reinfo rced Po lym er)、芳綸纖維增強聚合物復合材料A FRP (A ram id F iber Reinfo rced Po lym er). 國外近來新開發(fā)了PBO 2FRP 復合材料、DFRP 復合材料.
FRP 抗拉強度高、重量輕、免銹蝕、熱膨脹系數(shù)低、無磁性、抗疲勞性好, 非常適合用于土木工程中. CFRP的比強度是鋼材的20 倍, 體積分數(shù)僅為鋼材的1ö5, 所以很適合用于超大跨徑橋梁中. CFRP 和A FRP 的疲勞性能好, 為鋼材的三倍, 其疲勞極限可達靜荷載的70%～ 80% ,O dagiri 等人建議最大工作應力可處于初始抗拉強度的54%～ 73% 之間[ 5 ]. 新型的FRP 產(chǎn)品PBO 2FRP 除具有高強CFRP 相近的力學性能外, 還表現(xiàn)出更好的物理性能, 如良好的柔韌性等[ 3 ]. DFRP 也具有良好的物理性能, 抗拉極限應變可達到3. 5% , 延性很好[ 3 ].
FRP 產(chǎn)品的主要形式有片材(板材和布材)、型材(矩形、工字形、蜂窩型、格柵型、層壓型)、筋材(圓筋、方筋、變形筋、預應力張拉用的絞線和筋束等). FRP 在土木工程中的應用研究主要是以下幾方面:
(1) FRP 的材料性能及新型FRP 材料:
(2) FRP 修復和加固現(xiàn)有結構;
(3) FRP 配筋的混凝土結構;
(4) FRP 型材料結構以及組合結構;
(5) FRP 索結構.
FRP 型材主要應用于橋面板. 因其耐腐蝕、重量輕、抗疲勞性好且彈性結構耐超載及施工方便等優(yōu)點, 所以有顯著的競爭優(yōu)勢.
目前使用的FRP 也存在一些不足, 主要表現(xiàn)為:
1. 材料各向異性, 造成受力上許多不同于傳統(tǒng)材料的現(xiàn)象;
2. CFRP 和A FRP 的彈性模量低;
3. 材料的整體抗剪強度及層間剪切強度低, 造成連接設計上的困難[ 6 ];
4. FRP 直到拉斷還表現(xiàn)出線彈性的力學特征, 斷裂應變小, 破壞呈脆性,防火性能差, 抗紫外線性能差.
盡管三種FRP 材料都具備橋梁結構要求的基本特性, 但從結構力學等綜合性能指標的比較來看, CFRP無疑具有很大的優(yōu)勢.CFRP 與鋼材相比, 具有以下顯著特點[ 9 ]:
(1) 抗拉強度高, 順纖維方向抗拉強度遠大于普通鋼筋; 但均勻性較鋼材較差, 各向異性, 抗剪和抗多軸向力強度低;
(2) 重量輕, 密度約為鋼材的1ö5, 便于施工安裝;
(3) 耐久性好;
(4) 抗腐蝕性能好, 除了強氧化劑外, 一般如濃鹽酸、30% 的硫酸、堿等對其均不起作用;
(5) 熱膨脹系數(shù)低;
(6) 應力2應變曲線呈線性分布;
(7) 減震性能好, 其自振頻率很高, 可避免早期共振,且內(nèi)阻很大, 若發(fā)生激振, 衰減快;
(8) 材料柔軟, 產(chǎn)品形狀幾乎不受限制, 還可以任意著色, 將結構形式和材料美學統(tǒng)一起來;
(9) 非磁性.
從CFRP 材料的綜合物理、力學特性來分析, CFRP材料適合作為橋梁結構的受拉或預應力受彎構件, 特別適用于純受拉構件, 材料自身的優(yōu)勢可以得到最大限度的發(fā)揮. 工程實踐也證明了這一點. 目前, CFRP 主要應用在舊橋加固時約束裂縫的開展, 承受拉應力; 新建橋梁中主要作為受拉的纜索或主梁的預應力筋.
4 CFRP 在土木工程中的實際應用
CFRP 片材包括布材和板材, 主要應用于結構的補強及加固. 基于國內(nèi)外幾十年的應用研究, 該技術已經(jīng)相當成熟. 主要應用于鋼筋混凝土、預應力混凝土橋梁的加固和修復.
CFRP 筋及型材用于增強新建結構. CFRP 筋是采用多股連續(xù)碳纖維作為增強纖維, 熱固性樹脂作為機體材料, 將增強纖維和基體樹脂膠合, 通過固定截面形狀的模具擠壓、拉拔, 快速固化成型的復合材料. CFRP 預應力索作為結構增強材料可以替代傳統(tǒng)混凝土結構中的鋼筋與鋼絞線而解決鋼材的腐蝕問題, 截至2000 年,已至少有500 多個工程結構應用FRP 筋[ 10 ].
CFRP 拉索的密度與溫度變形系數(shù)遠小于鋼絲, 因此在CFRP 斜拉索中, 由于自重所導致的彈性模量的損失(垂度效應) 將遠遠小于鋼斜拉索, 而且CFRP 對溫度變化不敏感.
FRP 與混凝土組成的混合結構也是今后發(fā)展的一個趨勢. 若在橋梁上部結構中應用FRP, 則設計應力中的活載應力的比例由10%～ 20% 提高到50%～ 70% [ 11 ].
CFRP 吊桿因其具有良好的抗疲勞性能亦將在大跨度索橋、系桿拱橋中有廣泛的應用前景[ 11 ].日本是世界上第一個在混凝土橋梁中采用CFRP 絞線作為預應力筋的國家. 1988 年, 在石川縣Sh inm in 拱橋中首次采用CFRP 絞線[ 12 ]. 此橋是先張法預應力混凝土板式橋, 橋?qū)?m , 跨度5. 76m. 它在1999 年建成通車的主跨徑為1 030 m 的Ku ru sh im a 懸索橋中, 首次采用碳纖維束作為錨道的主要纜索[ 9 ]. 根據(jù)日本復合筋俱樂部2002 年統(tǒng)計, 日本已有200 多項工程中采用FRP 筋和FRP 絞線[ 13 ].
美國已經(jīng)設計和施工了多項示范工程, 如聯(lián)邦公路管理局的預應力大梁試驗和密歇根州的橋梁工程[ 14 ].
英國于1992 年建成主跨為63 m 的FRP 人行斜拉橋[ 11 ].加拿大將FRP 預應力筋用于Talo r、Crow ch ild、Fo rre 三座大橋上, 均于1997 年建成[ 13 ].
丹麥于1999 年建成總長80 m , 的Hern ing 人行斜拉橋, 該橋采用了16 根CFRP 斜拉索, 其中每根由32 根CFRP 絞線組成[ 9 ]. 荷蘭于2001 年通車的鹿特丹海港地域的丁太哈文橋箱梁頂板采用四根體外CFRP 預應力束[ 13 ].
2002 年美國和日本合作建成了密歇根州Sou thf irld 市的第一座CFRP 筋橋[ 13 ].重慶交通學院于1986 年建成國內(nèi)第一座蜂窩夾心FRP 板組合箱梁單索面非對稱斜拉橋(全橋長50 m ) [ 11 ].
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新型材料用于斜拉橋趨勢發(fā)展迅猛, 將使其承載力提高50% 左右, 極限跨徑達到普通斜拉橋的1. 2～ 2. 3倍, 為跨海通道和貫通海峽橋梁, 特別是直布羅陀海峽主跨8 400 m 的復合材料斜拉橋的建造奠定了基礎[ 11, 15 ].
CFRP 是一種晶體材料, 其徑向與橫向強度比(20∶1) 較大, 盡管抗拉強度很高但其抗剪強度低. 而在預應力CFRP 筋的錨固系統(tǒng)中, 同時存在著縱向拉應力和橫向壓應力, 當CFRP 筋在錨具處的主應力超過臨界值破裂時, 其抗拉強度得不到充分發(fā)揮. 傳統(tǒng)的夾片式錨具不再適用于CFRP 筋, 否則將會由于其橫向強度過低導致錨具組裝件在錨固區(qū)過早失效. 因此, 將CFRP 筋用于預應力混凝土結構的關鍵是尋求可靠的錨固方法, 開發(fā)研制適應CFRP 筋特性的新型錨具. CFRP 筋專用錨具應該避免應力集中, 制作方便, 體形小巧, 耐久性好.
5 碳纖維錨具的應用研究
5. 1 碳纖維錨具在國外的研究狀況
國外學者自上世紀80 年代開始對FRP 筋的粘結性能進行研究. 通過大量的試驗, 發(fā)現(xiàn)膠著力和摩擦力對GFRP 筋的粘結強度起決定性作用. 當今國內(nèi)外的粘結型錨具, 主要用樹脂膠和微膨脹水泥作為填充材料.
日本、美國和加拿大等國家對FRP 筋的張拉與錨固體系的研究開發(fā)已經(jīng)取得了一定的成果. 主要有楔塊式(W edge Type)、灌漿式(Grou t Type) 和壓鑄管式(D ie2cadtW edge Type System ) 三種[ 13, 19 ]. 楔塊式包括夾片式和錐塞式. 夾片式又分為兩片式塑料夾片、兩片式鋁夾片、兩片式鋼夾片加鋁套管或銅套管及四片式鋼夾片. 錐塞式則主要使用于橫向變形能力較好的芳綸纖維. 該類錨具是在傳統(tǒng)鋼絞線的錨具上發(fā)展起來的. 主要失效模式為: 錨固區(qū)由于剪應力過大而造成的碳纖維筋的剪切失效破壞.粘結式錨具包括樹脂套筒錨具(Resin sleeve ancho r)、和樹脂封裝錨具(Resin2po t ted ancho r). 樹脂套筒錨具為管狀的金屬或非金屬套管或套筒, 內(nèi)表面帶螺紋或經(jīng)加工變形, 錨固作用靠在套筒內(nèi)注入樹脂或粘結劑得以實現(xiàn). 并采用支承螺母錨固到構件上, 樹脂可采用環(huán)氧樹脂砂漿, 也可灌水泥漿或膨脹水泥材料. 封裝錨具錨具是在內(nèi)部為錐形孔的錨杯內(nèi)填充樹脂砂或水泥.
粘結型錨具的優(yōu)點是容易制作和檢驗, 缺點是需要預先下料, 并為樹脂和水泥漿的硬化留一定的時間. 此外, 粘結型錨具的尺寸較大, 長度可達500 mm , 抗沖擊能力差, 蠕變大, 對施工環(huán)境的要求較高[ 21 ].夾片2粘結式錨具是將樹脂套筒式錨具與夾片式錨具合并, 組合成一種新的錨具, 其中一部分力通過樹脂的粘結力傳遞至套筒, 并通過粘結和夾片橫向壓力的綜合作用進行錨固. 普通的粘結型錨具包括錨具套筒和緊固螺栓, 錨固原理是采用粘結材料將碳纖維筋和套筒粘結在一起, 再通過緊固螺栓張拉并產(chǎn)生錨固效果. 國外類似錨具所采用的粘結材料種類很多, 包括環(huán)氧基粘結劑, 硅酸鹽水泥以及低熔點合金等. 夾片2粘結式錨具兼顧了機械夾持式錨具與粘結型錨具的雙重優(yōu)點, 組件加工方便, 體積小巧, 錨固效果很好, 且可用于多根FRP筋的錨固.
5. 2 碳纖維錨具在國內(nèi)的研究狀況
在預應力張拉錨固體系方面, 我國的技術一直比較落后.
1984 年建設部將鋼絞線預應力張拉錨固體系的研究列入了科學技術開發(fā)計劃, 經(jīng)過幾年的研制與試用,于1987 年前后推出了XM 預應力體系與QM 預應力體系, 隨后YM 體系和OVM 體系相繼研究成功.傳統(tǒng)鋼絞線錨具按錨固方式不同可以分為夾片式、支承式、錐塞式及握裹式四種[ 16, 17 ]. 而CFRP 筋錨具可以分為機械夾持式、粘結式和復合式. 主要包括在以下兩個方面中: 改造統(tǒng)夾片式錨具的和開發(fā)新型粘結式錨具. 東南大學張志文等人結合我國現(xiàn)有張拉設備, 開發(fā)了杯口灌膠式、套筒灌膠式、粘砂夾片式、帶膠擠壓式、帶護筒夾片式錨具[ 18 ]. 其中套筒灌膠式錨具在端部增加了分離的螺堵, 以便澆注時對中, 防止受力偏心. 但灌膠式類型錨具的缺點是膠固化時間長. 湖南大學方志等人采用兩片式鋼夾片加鋁套管的夾片式錨固系統(tǒng), 并對夾片時螺紋進行工藝處理, 取得了較好的錨固效果. 粘結式錨具采用環(huán)氧鐵砂、普通混凝土及高性能混凝土作為填充介質(zhì), 提出了較為有效的錨固CFRP 筋的方式[ 19 ]. 廣西工學院張鵬等人對傳統(tǒng)鋼絞線夾片式錨具進行改造, 采用細牙, 同時適當減小了齒高和齒距, 降低了錨具對CFRP 筋的嵌入深度. 他們開發(fā)的粘結式錨具采用環(huán)氧樹脂作為填料, 錨杯為無縫高強鋼管, 此錨具在張拉時共同受力, 但灌裝工藝需要真空, 施工很復雜[ 20 ].
CFRP 筋錨具的研制均應考慮以下幾個問題:
(1)CFRP 筋的極限強度、彈性模量、極限應變等力學性能, 以及筋的形狀、所用纖維及機體類型, 制造工藝等材料特征等;
(2) 錨具對CFRP 筋的影響;
(3) 錨具本身的抗腐蝕性和耐久性;
(4) 溫度變化對錨具的影響.
6 CFRP 材料及錨固系統(tǒng)疲勞試驗研究
目前, CFRP 材料主要用于非承重結構, 但逐漸開始在承重結構中應用. 因此, 對其進行抗疲勞性能研究非常重要. 國外研究表明FRP 材料的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料, 但是FRP 材料受工作環(huán)境的影響也很大. FRP筋的疲勞性能主要取決于纖維種類、筋表面形狀、環(huán)境條件及加載頻率等.
CFRP 材料的纖維和基體界面能很好阻止裂紋的擴展, 其疲勞破壞總是總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始, 隨后逐步擴展到界面上, 而且破壞前有明顯征兆. 其疲勞損傷機理包括:
(1) 纖維破壞, 主要由總體或局部纖維過載引起, 總體纖維過載造成材料失效, 局部過載造成局部纖維斷裂, 而后通過基體傳到相鄰的纖維; (2) 基體損傷主要由基體內(nèi)部缺陷及超過基體材料疲勞極限引起, 這種損傷是一個漫長的積累過程. 在疲勞壽命預測中占重要地位. (3) 界面損傷. 其實, 在實際工程中的材料疲勞損傷是多種損傷的結合.
國外研究表明FRP 材料的抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料, 但是FRP 材料受工作環(huán)境的影響也很大. FRP 筋的疲勞性能主要取決于纖維種類、筋表面形狀、環(huán)境條件及加載頻率等.
國外對FRP 筋及拉索錨固系統(tǒng)的試驗研究主要集中在日本、美國及加拿大等應用FRP 較早的發(fā)達國家,特別是日本, 已經(jīng)開發(fā)出錨固各類FRP 筋的錨固系統(tǒng), 并完成了相關的靜力及疲勞性能試驗研究.
研究表明, 鋼絞線的疲勞強度受夾片刻痕及側向力的影響很小, 錨具疲勞性能降低的主要原因是, 鋼絞線與夾片齒痕之間的往復位移使鋼絞線產(chǎn)生擦傷疲勞腐蝕. 所以, 在疲勞荷載作用下, 保證夾片與鋼絞線緊密咬合, 在循環(huán)作用下不產(chǎn)生或盡量減少往復位移, 是提高錨具性能的關鍵.
7 結束語
CFRP 具有優(yōu)異的材料特性和使用性能, 如強度高、彈性模量適中、形變小、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐疲勞和無磁性, 所以在土木工程中的應用范圍越來越廣. 國外在CFRP 應用研究理論和技術上, 某些方面已相當成熟, 但在我國的開發(fā)與應用尚處于初級階段, 欲使其在土木工程中推廣使用, 尚需進行大量的更加深入研究.
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