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淺談芳綸纖維布在結構加固工程中的應用

 1、引言

  土木工程學科的發展,在很大程度上依賴于性能優異的新材料新技術的應用和發展。如對于傳統的鋼筋增強材料,應尋找一種強度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料;同時,對于既有結構的加固、維修和改造又要經濟、施工方便、美观,施工后結構承载力明显提高等优异的物理力学性能的材料及技术所代替。

  土木結構工程常用的FRP 複合材料主要有芳綸纖維(AFRP,碳纖維(CFRP)和玻璃纖維(GFRP),其材料形式主要有片材、棒材和型材。所有的FRP都有一些共同的性质:轻质高强、高弹模、在拉断前均为弹性,热膨胀系数低、各向异性、耐腐耐久性能好等,所以在土木結構工程中应用潜力巨大。另外,FRP複合材料使用維護成本低、可以自由裁減、節省材料、施工便捷,雖然其前期投資較大,但從長期投資的角度看效益明顯。

  2、材料的基本特性

  本文提供了一种新型的用于土木結構工程的材料及相应的技术,路威®2008 芳綸纖維,其主要成分是對苯二胺聚合物(PPTA,其中既含脂肪族主链又含芳香族主链,所以有牢固的分子結構,路威2008芳綸纖維是由直徑爲12um 左右的单丝汇集在一起形成的多纤维状結構,芳纶布是芳纶纤维由单向或双向排列形成的一种片材,常用的是单向片材,它的力学性能指标主要如下表:

  它除了具有所有的FRP 複合材料共同性質:輕質高強、高彈模、防腐耐久性能好等特點,其次,它還有自己獨特的特點,抗堿腐蝕能力強、不導電、抗動載、抗沖擊性能好,這就使它在海港碼頭工程;絕緣性要求高的場所如地鐵、隧道及電氣化鐵路上路的施工;抗疲勞要求高的地方和沖擊大而頻繁的構件等,另外,由于它是一種有機材料,所以和同是有機材料的樹脂的浸透能力比其它FRP材料強,芳綸固化時間是其它FRP材料的1/3-1/4,經濟效益相應就提高了,有著其它FRP材料所不能比的優勢。

  3、芳纶布在結構加固工程中应用领域

  梁:主要是橋梁和民用建築或工業産房,加固的方式包括抗彎和抗剪,在進行抗彎加固時,芳綸布的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側,已提高梁的承載能力,據有關試驗得出,只要該梁不是超筋梁,貼一層AK-40可以提高承載30%左右,貼兩層可以提高40%左右;在進行抗剪加固時,芳綸布的纖維方向與梁的軸向垂直。

  柱子:芳綸布是一種理想的柱子加固材料,首先,因爲芳綸的彈模是118Gpa, 相对于碳纖維(弹模230Gpa,所以它的延性較好;其次,在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纖維則需要30mm左右,芳綸就可以節約很多工時,最後,由于芳綸布是一種柔軟的布,所以追隨性很好,特別是對于形狀不規則的承台,芳綸布是一種理想的加固材料。

  砌體、板:一般對于板的加固淨空要求比較高,而且加固後要不影響其外觀,所以用厚度很薄且柔軟的FRP複合材料進行加固是一種理想的選擇。

  烟囱、水塔 :由于象烟囱水塔这样向高空发展的結構,加固维修特别困难,传统方法基本上很难解决这样的问题,而轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的芳纶纤维就是一种很好的选择。

  地铁隧道:由于地铁和隧道是一种在地下工作的結構,所以它的受力与地面結構是不一样的,在洞顶和洞测都有土的力的作用,而且它也有净空的要求,所以进行裂缝修补时,传统的加固方法可能性很小,用芳纶布进行加固维修就可以满足它的各方面要求,因为在地铁或隧道的拱定或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的,这就要求它的修复材料必须具有良好的抗剪性能才行,而且芳纶还是一种不导电的FRP材料,所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。

  4、芳綸纖維的應用特性

  不导电性:在现代的工程中,如地铁、隧道、電氣化铁路以及工业厂房等等,都对绝缘性要求很高,在这些工程的加固补强中,芳纶纤维有着绝对优势,也给这些领域提供了一个最佳的选择机会。

  耐腐蝕性好:特別是耐強堿腐蝕,這點其他FRP复合材料不能相比的,由于在海水对混凝土結構有很强的腐蚀性,主要是因为里面含氯离子较多的缘故,导致混凝土碳化,钢筋锈蚀膨胀,所以在一些海港码头工程的加固及防护中,芳纶纤维是最佳的选择。

  抗沖擊性:由于芳綸纖維的彈模是118Gpa,延性特別好,它的延伸率爲1.8%,所以刚开始时它在国外是用作军工产品,如防弹衣等。用它加固一些对冲击性要求很严的結構中,如主航道的橋墩等

 抗動載抗疲勞性能好:雖然碳纖維的抗拉強度非常高,但由于它是一種脆性材料,只能承受長期的靜荷載,如果長期承受動載,就不能保證它的強度了,芳綸纖維則不受這個限制,早期主要用于軍工産品,而且是防彈衣的主要材料,由于其韌性比較好,所以相應的其抗疲勞能力就非常好,另外,芳綸纖維的抗剪切能力也是所有FRP材料中最強的。

  施工方便:主要是以下幾個步驟,表面處理——塗刷底膠——底層浸漬樹脂——粘貼芳綸布——外層浸漬樹脂——表面防護,而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機械設備,一般不需要做倒角,方形柱子的倒角只要做10mm就可以了,因爲芳綸是一種有機材料,與樹脂的浸潤性很好,且養護時間很短一般爲幾個小時,而類似其它纖維則需要一至二周。

  5、各種加固方法的比較

  貼鋼板:在用鋼板加固時,一般將鋼板貼在被加固的結構受力部位的外边缘,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土的变形,但是,采用这种方法加固必须注意几点:首先,对钢板的尺寸要求很严格,抗弯时宜薄点以保证它和原結構的变形协调,抗剪时则宜厚点,而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区,防止应力集中对結構承载力的损害;其次,贴完后,必须对钢板边缘裂缝的进行处理;最后,还要对钢板进行防腐处理,这也是一项长期的任务,所以综合起来造價相當高,而且,它的使用範圍還有一定的局限性,一般只用在剛度要求很嚴格的地方。

  扩大截面法:这种加固方法的原理在于通过增大受力面积来提高結構的承载力,这种方法一般都用在一些很小而且对净空没多少要求的結構中,优点是成本较低,缺点是增加原結構的自重同时净空减小了,工期长,有很大的局限性,在目前,现在较大的工程都不会用它。

  碳纖維:在目前的FRP材料加固市場中,碳纖維占的比例最多,種類也很多,進口的和國産的都有,常用的規格一般爲0.11mm的和0.167mm兩種,它的作用機理和我們的路威® 2008芳綸纖維以及其它FRP复合材料基本是一致的,利用其轻质高强、高弹模、耐腐蚀耐久性能好等优势对結構进行加固,虽然它能很大的静载,但由于碳纤维是一种易发生脆性破坏的材料,所以如果经常承受动载或冲击,就不能保证它的强度的发挥了,而芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏,另外,碳纤维,还是一种导电的材料,所以在绝缘性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中,也不宜用它,而同爲高強高彈模的芳綸纖維就不存在這樣的局限了,而且還是它的優勢所在,芳綸纖維在抗剪方面也有很大的優勢,在裁剪時就必須用專門的陶瓷剪刀,在加固墩子時一般也是利用芳綸優異的抗剪性能。

  6、結論

  随着我国国民经济的飞速发展,现在及今后相当长的一段时期,各类橋梁及房屋建築結構的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内的常用的加固方法主要有以下几种在纤维布复合材料加固、粘钢板、体外预应力扩大截面等方法,芳纶纤维复合材料具有鲜明的特点,并且由于其性价比明显优势,相信会越来越广泛地被大家关注,成为我们旧危橋加固的应用最广的新技术。

  參考文獻

  [1] 飛渭,江世永,彭飛飛,陳正平,李慶楓,陳龍.預應力碳纖維布加固砼受彎構件試驗研究。第二屆全國土木工程用纖維增強複合材料(FRP)應用技術學術交流會論文集,中國.昆明,2002.7

 

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