摘 要:介绍了FRP 复合材料用于结构补强的特点和优势,从材料性能、施工性能、经济性能、适用性和安全性等方面对碳纤维和芳纶纤维进行了对比研究,指出了芳纶纤维布在设计、施工方面及应用领域的优势,以供参考借鉴。
关键词:芳纶纤维,碳纤维,复合材料,混凝土结构
中图分类号: TU746. 3 文献标识码:A
引言
FRP 复合材料因其较低的密度、极高的抗拉强度和优异的抗腐蚀性能在混凝土结构的修复与加固中大量应用,它是一种高性能纤维布与高强度粘结剂、固化剂的复合体。最常用的纤维布为碳纤维布与芳纶纤维布。
碳纤维补强加固混凝土结构技术从20 世纪80 年代在国际上开始研究应用,我国是在1997 年起正式开始对碳纤维增强塑料加固修复(CFRP) 土木建筑结构进行研究的,从1998 年起开始应用于实际工程[1 ] ,现在我国FRP 方面已出台加固设计规范———CECS 146∶2003 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程。
芳纶材料( KevlarÓ) 是美国杜邦公司最早于70 年代研制开发的[ 2 ] ,大量用于结构补强则开始于1995 年日本阪神地震之后。2000 年芳纶纤维布在日本的使用量仅为4. 5 万m2 ,2001 年则上升为20 万m2 ,预计今后10 年内是应用的飞速增长期。芳纶纤维结构补强技术在国内的应用刚起步,但其优越的材料性能(如它的不导电性、韧性及抗冲击等方面) 和便捷的施工操作性,已受到业内人士的广泛关注。
1 性能分析评价
1. 1 材料性能比较
芳纶纤维和碳纤维作为结构补强领域的新型非金属复合材料,具备几个特点:1) 高弹性模量,高抗拉强度;2) 低密度;3) 耐久性好,抗腐蚀、耐老化;4) 疲劳强度高;5) 各项异性;6) 应力—应变关系为线性(见图1) 。
两种纤维材料性能的详细比较见表1 。
上述两种纤维的强度均为材料本身的强度,而不是纤维布的强度,具体纤维布的强度如下:
1) 碳纤维:0. 11 mm 和0. 167 mm 为常用的两种规格,强度3 000 MPa ,由于碳纤维发生的是脆性破坏,破坏前没有一点征兆,所以考虑的安全储备系数一般为0. 5～0. 7 ,即能发挥的强度有0. 6 ×3 000 = 1 800 MPa。
2) 芳纶纤维:AK240 和AK260 为常用的两种规格,厚度分别为0. 193 mm 和0. 286 mm ,强度2 060 MPa ,由于芳纶纤维的韧性特别好,所以它的安全储备系数一般为0. 75～0. 95 ,即它能发挥的强度有0. 85 ×2 060 = 1 751 MPa。
所以强度的有效值是相当的,但碳纤维加固后的构件破坏形式为脆性破坏,使其比较适合于承受长期静荷载的结构,而芳纶纤维的抗局部冲击能力强(从早期用于做防弹衣可以看出) ,因此比较适合于承受动载的构件。
另外,FRP 材料之所以用来加固,主要是在于纤维布浸透树脂后,通过树脂与混凝土间良好的粘结能力来达到一种协调变形,共同承受荷载。由于芳纶布和树脂同为有机材料,两者之间的结合力很强;而树脂与无机材料碳纤维结合时,渗透能力就不如芳纶好,这样碳纤维就只能做得很薄了,而且要使它充分浸透,工期比芳纶纤维要长很多,也就相应增加了综合造价。
1. 2 施工性能比较
与碳纤维布相比,芳纶纤维布的柔性更为突出,施工中可以在现场用剪刀裁剪成所需形状和尺寸(芳纶纤维布抗剪性很好,需用陶瓷剪刀或电圆锯裁剪;而碳纤维布用一般剪刀即可裁剪) ,对构件的不同外形都有极高的适应能力。由于芳纶纤维布重量轻,无需吊装设备,采用小型机具手工操作即可完成,在较小的空间也可施工( 10 cm) , 施工速度快, 周期短, 正常条件下可达25 m2/ (人·d) ,且粘贴质量容易保证。另外,纤维表面易于涂装,较好地适应了环境要求,可最大限度减少修补痕迹。
有必要指出的是,碳纤维布要求倒角半径不小于40 mm ,而芳纶纤维10 mm 即可;在贴纤维片时,两者前提都要求底胶干燥,但芳纶纤维自然干燥时间为1 h～2 h ,碳纤维一般需3 h～24 h(碳纤维布对树脂的浸润性低于芳纶纤维布) ;此外,芳纶纤维的养护时间只有几个小时,而碳纤维则需7 d～14 d。
1. 3 经济性能比较
与碳纤维布类似,芳纶纤维材料价格要高于传统结构补强材料,但其综合造价却相对低一些。主要体现在以下几方面:1) 在运输、存储、装卸、加工和维护过程中的费用较少;2) 施工不需大型设备和机具,减少了机械台班费,同时减少了对结构正常使用的干扰;3) 由于施工速度快,缩短了施工周期,节省了人工费用;4) 耐久性好,相应地也就减少了维修费用。从国外已有工程实践来看,大中型结构如桥梁用碳纤维加固的综合费用比粘贴钢板综合费用低,综合性能也好。国产碳纤维材料价格比较低(相对而言质量有待提高) ,进口优质碳纤维材料的价格与芳纶纤维材料的价格相当。
1. 4 适用性比较
纤维材料补强广泛适用于桥梁、地铁、地下结构、工业与民用建筑、水塔、水池、烟囱等几乎土木工程的各个领域,基本涵盖了混凝土受拉、受压、受弯和受剪的加固。碳纤维布在顺纤维方向具有很高的拉伸强度与疲劳强度,而抗压抗剪强度较低,因此主要适用于混凝土结构受拉的加固,尤其适用于梁的加固,但因其破坏呈脆性,设计时,安全系数必须充分考虑。与碳纤维材料一样,同为复合材料的芳纶纤维的材料抗压强度较低,但其抗剪性能优秀,因此用作墩柱的抗剪和抗震补强是非常理想的。
1. 5 安全性比较
FRP 复合材料加固混凝土结构,其技术性能是否达到要求,关键在于纤维布与混凝土之间的粘结性是否能够保证。目前纤维布与混凝土间剥离破坏的机理研究尚不成熟,但根据已有试验研究成果,在规定的设计和施工方法下,用合格的增强纤维复合材料加固混凝土结构可以有效地提高混凝土构件的承载力、刚度,减小构件的挠度,改善构件的延性和限制裂缝的扩展,提高结构的抗震性能[ 1 ] ,从而延长其服务年限。
2 结语
文中介绍了FRP 复合材料用于结构补强的特点和优势。在此基础上对两种复合材料———芳纶纤维布和碳纤维布的各项性能进行了比较论述,指出了芳纶纤维布在设计、施工方面及应用领域的优势,供大家选择参考。
参考文献:
[1 ]岳清瑞. 我国碳纤维加固修复技术研究应用现状与展望[J ] .工业建筑,2000 (10) :23226.
[2 ]黄 丽. 聚合物复合材料[M]. 北京:中国轻工业出版社,2001.
[3 ]贺玲凤,潘桂梅. 芳纶纤维约束混凝土的力学性能研究[J ] . 实验力学,2003 (4) :5382542.
[4 ]董晓梅. 碳纤维加固混凝土梁有关问题的探讨[J ] . 山西建筑,2006 ,32 (23) :67268.
