摘 要:介紹了FRP 復合材料用于結構補強的特點和優(yōu)勢,從材料性能、施工性能、經(jīng)濟性能、適用性和安全性等方面對碳纖維和芳綸纖維進行了對比研究,指出了芳綸纖維布在設計、施工方面及應用領域的優(yōu)勢,以供參考借鑒。
關鍵詞:芳綸纖維,碳纖維,復合材料,混凝土結構
中圖分類號: TU746. 3 文獻標識碼:A
引言
FRP 復合材料因其較低的密度、極高的抗拉強度和優(yōu)異的抗腐蝕性能在混凝土結構的修復與加固中大量應用,它是一種高性能纖維布與高強度粘結劑、固化劑的復合體。最常用的纖維布為碳纖維布與芳綸纖維布。
碳纖維補強加固混凝土結構技術從20 世紀80 年代在國際上開始研究應用,我國是在1997 年起正式開始對碳纖維增強塑料加固修復(CFRP) 土木建筑結構進行研究的,從1998 年起開始應用于實際工程[1 ] ,現(xiàn)在我國FRP 方面已出臺加固設計規(guī)范———CECS 146∶2003 碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(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 ] ,大量用于結構補強則開始于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 ,預計今后10 年內(nèi)是應用的飛速增長期。芳綸纖維結構補強技術在國內(nèi)的應用剛起步,但其優(yōu)越的材料性能(如它的不導電性、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)人士的廣泛關注。
1 性能分析評價
1. 1 材料性能比較
芳綸纖維和碳纖維作為結構補強領域的新型非金屬復合材料,具備幾個特點:1) 高彈性模量,高抗拉強度;2) 低密度;3) 耐久性好,抗腐蝕、耐老化;4) 疲勞強度高;5) 各項異性;6) 應力—應變關系為線性(見圖1) 。
兩種纖維材料性能的詳細比較見表1 。
上述兩種纖維的強度均為材料本身的強度,而不是纖維布的強度,具體纖維布的強度如下:
1) 碳纖維:0. 11 mm 和0. 167 mm 為常用的兩種規(guī)格,強度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)揮的強度有0. 85 ×2 060 = 1 751 MPa。
所以強度的有效值是相當?shù)?但碳纖維加固后的構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構,而芳綸纖維的抗局部沖擊能力強(從早期用于做防彈衣可以看出) ,因此比較適合于承受動載的構件。
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能力來達到一種協(xié)調(diào)變形,共同承受荷載。由于芳綸布和樹脂同為有機材料,兩者之間的結合力很強;而樹脂與無機材料碳纖維結合時,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,也就相應增加了綜合造價。
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) ,對構件的不同外形都有極高的適應能力。由于芳綸纖維布重量輕,無需吊裝設備,采用小型機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,較好地適應了環(huán)境要求,可最大限度減少修補痕跡。
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,兩者前提都要求底膠干燥,但芳綸纖維自然干燥時間為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)護時間只有幾個小時,而碳纖維則需7 d～14 d。
1. 3 經(jīng)濟性能比較
與碳纖維布類似,芳綸纖維材料價格要高于傳統(tǒng)結構補強材料,但其綜合造價卻相對低一些。主要體現(xiàn)在以下幾方面:1) 在運輸、存儲、裝卸、加工和維護過程中的費用較少;2) 施工不需大型設備和機具,減少了機械臺班費,同時減少了對結構正常使用的干擾;3) 由于施工速度快,縮短了施工周期,節(jié)省了人工費用;4) 耐久性好,相應地也就減少了維修費用。從國外已有工程實踐來看,大中型結構如橋梁用碳纖維加固的綜合費用比粘貼鋼板綜合費用低,綜合性能也好。國產(chǎn)碳纖維材料價格比較低(相對而言質(zhì)量有待提高) ,進口優(yōu)質(zhì)碳纖維材料的價格與芳綸纖維材料的價格相當。
1. 4 適用性比較
纖維材料補強廣泛適用于橋梁、地鐵、地下結構、工業(yè)與民用建筑、水塔、水池、煙囪等幾乎土木工程的各個領域,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度與疲勞強度,而抗壓抗剪強度較低,因此主要適用于混凝土結構受拉的加固,尤其適用于梁的加固,但因其破壞呈脆性,設計時,安全系數(shù)必須充分考慮。與碳纖維材料一樣,同為復合材料的芳綸纖維的材料抗壓強度較低,但其抗剪性能優(yōu)秀,因此用作墩柱的抗剪和抗震補強是非常理想的。
1. 5 安全性比較
FRP 復合材料加固混凝土結構,其技術性能是否達到要求,關鍵在于纖維布與混凝土之間的粘結性是否能夠保證。目前纖維布與混凝土間剝離破壞的機理研究尚不成熟,但根據(jù)已有試驗研究成果,在規(guī)定的設計和施工方法下,用合格的增強纖維復合材料加固混凝土結構可以有效地提高混凝土構件的承載力、剛度,減小構件的撓度,改善構件的延性和限制裂縫的擴展,提高結構的抗震性能[ 1 ] ,從而延長其服務年限。
2 結語
文中介紹了FRP 復合材料用于結構補強的特點和優(yōu)勢。在此基礎上對兩種復合材料———芳綸纖維布和碳纖維布的各項性能進行了比較論述,指出了芳綸纖維布在設計、施工方面及應用領域的優(yōu)勢,供大家選擇參考。
參考文獻:
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[2 ]黃 麗. 聚合物復合材料[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社,2001.
[3 ]賀玲鳳,潘桂梅. 芳綸纖維約束混凝土的力學性能研究[J ] . 實驗力學,2003 (4) :5382542.
[4 ]董曉梅. 碳纖維加固混凝土梁有關問題的探討[J ] . 山西建筑,2006 ,32 (23) :67268.
