纖維增強復(fù)合材料及新型結(jié)構(gòu)體系

1、纖維增加復(fù)合材料及型構(gòu)造體系【摘要】簡潔介紹土木工程材料的進展與歷史、幾大纖維原絲的生產(chǎn)工藝，介紹FRP 材料的特性與種類并分析其優(yōu)缺點，深入介紹為實現(xiàn)FRP 材料高性能化所運用的技術(shù)及FRP四大加固技術(shù)，提出問題并探討FRP材料增加構(gòu)造?！娟P(guān)鍵詞】FRP材料構(gòu)造加固增加構(gòu)造引言FRP 是復(fù)合材料， 由于單一材料在性能方面或者其它方面無法滿足具體的需求，所以有了 FRP 的存在，F(xiàn)RP 是將兩種或者兩 種以上的材料組合而成的型材料，它是復(fù)合材料，它是由各種高性能纖維作 為增加體置于基體材料復(fù)合而成。 其中高性能纖維是指有高的 拉伸強度和壓縮強度、耐磨擦、高的耐破壞力、低比重等優(yōu)良物性的纖維材料

2、，它是近年來纖維高分子材料領(lǐng)域中進展快速的一類特種纖維。 高性能 纖維的進展是一個國家綜合實力的體 現(xiàn)，是建設(shè)現(xiàn)代化強國的重要物資根底。高性能纖維復(fù)合材料 是進展 工、航空航天、能源及高科技產(chǎn)業(yè)的重要根底原材 料， 同時在建筑、通信、機械、環(huán)保、海洋開發(fā)、體育休閑等國民經(jīng)濟領(lǐng)域具有廣泛的用途。.土木工程材料的進展與歷史歷史遠古時期，人類于穴巢居住；石器時代，人們挖土鑿石為洞古崖居、伐木搭竹為棚；封建時期，人們可用磚木建房；1760年歐洲工業(yè)革命，建筑材料實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其標志為鋼材、水泥、混凝土的制造與應(yīng)用；二十世紀開頭后，復(fù)合材料及高分子材料得到快速進展。傳統(tǒng)土木工程材料的缺點耐久性差：如鋼

3、筋，型鋼，拉索等性能單一性，不行設(shè)計性：如震后可恢復(fù)性較差低強度重量比，限制構(gòu)造的進展：如大跨斜拉橋，懸索橋等無法實現(xiàn)自監(jiān)測功能：構(gòu)造安全性能隱患土木工程材料的根本性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì) A 強度與比強度 B C 脆性和韌性 D 硬度和耐磨性;材料與水有關(guān)的性質(zhì): A 材料的親水性與憎水性 B 材料的含 水狀態(tài) C 材料的吸濕性和吸水性 D耐水性 E 抗?jié)B性 F抗凍性材料的熱性質(zhì): A 熱容性B 導(dǎo)熱性 C熱變形性材料的耐久性,是指用于構(gòu)筑物的材料在環(huán)境的各種因素影響下, 能長期的保持其性能的性質(zhì)土木工程材料的進展趨勢 隨著地球人口的增長，人類為了生存之需，土木工程材料將來至少應(yīng)朝 5 個方向進展

4、，及高空、地下、海洋、沙漠及太空。同時，綠色、高性能的材料亦是土木工程材料的進展趨勢。纖維原絲我國鼓舞進展的四大高科技纖維：碳纖維CF、芳綸AF、超高分子量聚乙烯纖維UHMWPE、連續(xù)玄武巖纖維CBF碳纖維生產(chǎn)工藝碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料，它的比重不到鋼的 1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa 以上，是鋼的 79 倍，抗拉彈性模量為 230430Gpa 亦高于鋼。因此 CFRP 的比強度即材料的強度與其密度之比可到達 2022Mpa/(g/cm3) 以上，而 A3鋼的比強度僅為 59Mpa/(g/cm3) 左右，其比模量也比鋼高。玻璃纖維生產(chǎn)工藝池窯拉絲工藝又被稱為一

5、次成型工藝，這種生產(chǎn)工藝是將各種玻璃協(xié)作料在池窯熔化部經(jīng)高溫熔成玻璃液，在澄清部排解氣泡成為均勻的玻璃 液，再在成型通路中關(guān)心加熱，經(jīng)池窯漏板，高速拉制成確定直徑的玻璃纖維原絲。一座窯爐可以通過數(shù)條成型通路，安裝上百臺拉絲漏板同時生產(chǎn)。玄武巖纖維的制備連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)流程圖連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)流程圖窯前料倉玄武巖礦石稱量加料機浸潤劑拉絲機粗紗細紗烘干原絲其它制品玄武巖的分布與作用玄武巖(basalt)屬基性火山巖。是地球洋殼和月球月海的最主要組成物質(zhì)，也是地球陸殼和月球月陸的重要組成物質(zhì)。玄武巖在地球上分布廣泛，普及各大洋和各大洲。月球玄武巖是構(gòu)成月球的主要巖石之一 。主要分布在深海洋脊、

6、洋盆內(nèi)群島和海山島、弧和活動大陸邊緣、大陸內(nèi)部，可作為基石研磨材料來磨金屬、磨石料，同時可用于作過濾器、枯燥器、催化劑等。連續(xù)玄武巖纖維連續(xù)玄武巖纖維ContinuousBasaltFibre 簡稱CBF是以火山巖為原料經(jīng) 1500高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維，其外觀為金褐色，屬于非金屬的無機纖維，被稱為21 世紀無污染的“綠色工業(yè)原材料”。 同時，連續(xù)玄武巖纖維是關(guān)乎國家安全的重要戰(zhàn)略物資，是支撐高技術(shù)產(chǎn)業(yè)進展的型高技術(shù)綠色纖維材料；又是國民經(jīng)濟進展的根底材料 ；也是國民經(jīng)濟進展的增長點的綠色原材料！中國進展玄武巖連續(xù)纖維的前景原料，我國地域?qū)拸V，玄武巖儲量格外豐富，但不同玄武巖纖維需要

7、不同類型的玄武巖市場，中國本身就具有材料應(yīng)用的浩大市場本錢，中國具有低本錢制造玄武巖纖維得天獨厚的條件技術(shù)，全球玄武巖纖維的技術(shù)及規(guī)模尚處于初級階段，這給我們追趕乃至超過國外的先進 技術(shù)水平供給了很大的發(fā)空間和市場機遇纖維復(fù)合材料纖維復(fù)合材料是以纖維材料作為增加材與基體結(jié)合形成的復(fù)合材料，簡稱FRP (Fiberreinforced polymer)FRPFRP，芳纖FRPFRPFRP。FRP材料的種類FRP 片材，包括 FRP 布和 FRP 板：主要用來粘貼在混凝土構(gòu)造的外表對其進展加 固補強FRP 棒材，包括 FRP 筋和 FRP 索：主要在 FRP 筋混凝土構(gòu)造、FRP 預(yù)應(yīng)力混凝土 構(gòu)

8、造和橋索 中替代鋼筋和鋼絞線；3FRP 網(wǎng)格材和 FRP 格柵：作為混凝FRP 拉擠型材：截面形式機敏多樣，力學(xué)性能好，用途廣，是 FRP 構(gòu)造應(yīng)用的主要 產(chǎn)品FRP 纏繞型材：主要用作 FRP 管混分散構(gòu)土，可以作為柱、樁，甚至梁，使構(gòu)件 性能大大優(yōu)于一般鋼筋混凝土FRP 夾層構(gòu)造和蜂窩板： 由上下面的 FRP 板和夾心材料組成， 充分利用了面層 FRP 材 料強度，有很高的強度重量比和剛度重量比，是格外合理的構(gòu) 件形式，主要在梁和橋板中應(yīng)用還有一些其它工藝的 FRP 產(chǎn)品，如：模壓產(chǎn)品、層壓和卷管產(chǎn)品、熱塑性成型產(chǎn)品以 及手糊產(chǎn)品低壓接觸等等FRP材料的特性FRP 材料最突出的優(yōu)點在于它有

9、很高的比強度極限強度 /相對容重 ， 即通常所說的輕質(zhì)高強。FRP 的比強度是鋼材的 2050 倍，因此承受FRP FRP 構(gòu)造或 FRP 組合構(gòu)造作為上部構(gòu)造可使橋梁的極 限跨度大大增加4,5，并且可以減小地震作用的影響良好的耐腐蝕性?？梢栽谒?、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中抵抗化學(xué)腐蝕 ,這是傳統(tǒng)構(gòu)造 材料難以比較的。目前在化工建筑、地下工程和水下特別工程中， FRP 材料耐腐蝕的優(yōu)點已 經(jīng)得到實際工程的證明良好的可設(shè)計性。與傳統(tǒng)構(gòu)造材料相比，這是FRP 所獨有的。工程師可以通過使用 不同纖維種類、把握纖維的含量和鋪陳不同方向的纖維設(shè)計出各種強度和彈性模量的 FRP 產(chǎn)品。而且FRP 產(chǎn)品成型便利

10、，外形可機敏設(shè)計纖維復(fù)合材料的高性能化混雜/復(fù)合技術(shù)主要包括多種纖維混雜技術(shù) 與纖維與鋼筋復(fù)合技術(shù)。其中，由于單種纖維性能較為單一，如碳纖維的價格高、抗凍融不佳、抗輻射差，玻璃纖維、玄武巖纖維等疲乏強度不高、蠕變大、耐堿腐蝕不佳等，從而產(chǎn)生了多種纖維混雜 /復(fù)合技術(shù)。馬上性能各異的多種纖維材料，依據(jù)不同的構(gòu)造性能要求，進展混雜設(shè)計到達不同的力學(xué)性能，從而從根本上轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)材料單一不行設(shè)計性。而纖維與鋼筋復(fù)合技術(shù)則是通過復(fù)合界面粘結(jié)提升技術(shù)、樹脂提升技術(shù)、筋材外表處理技術(shù)，實現(xiàn)鋼筋與纖維有效混雜和復(fù)合，從而提高其性能。FRP 智能化FRP 智能化主要表達在兩種材料的應(yīng)用上，即混雜碳纖維傳感材料與自

11、傳感 FRP 智能筋/索。首先，單種碳纖維在消滅斷裂前盡管線性好，但在很大一個應(yīng)變區(qū)間電阻變化率很 小，一般在 1-2%以下，在現(xiàn)場很難進展準確測量；且在通常狀況下，碳纖維電阻的快速變化往往伴隨著碳纖維的最終斷裂，導(dǎo)致有效測量范圍較窄。所以，我們運用碳纖維傳感混雜技術(shù)與碳纖維傳感增敏技術(shù)來降低小電阻變化率所對應(yīng)的應(yīng)變范圍，同時在整個測量范圍內(nèi)，可以使電阻隨應(yīng)變的變化出降現(xiàn)一個階梯狀變化的關(guān)系。其次，由于分布式光纖傳感具有分布式的測量優(yōu)勢和光學(xué)測量的穩(wěn)定性，是最正確的傳感元件之一，但是光纖本身比較脆弱，與土木工程的惡劣環(huán)境不能相容，而FRP具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，且與光纖之間存在自然的物理

12、相容性，所以我們將光纖與 FRP 進展復(fù)合，得到了自傳感 BFRP 智能材料。這種智能材料具有優(yōu)良的傳感性能、高強的力學(xué)性能、卓越的耐久性能，同時在環(huán)保、價格上具有較高的綜合優(yōu)勢，被認為具有廣泛應(yīng)用前途。纖維復(fù)合材料加固構(gòu)造 FRP加固，傳統(tǒng)加固方法具有施工周期長、難度大、費用高、簡潔構(gòu)造不易加固、不能高效修復(fù)和提升鋼筋混凝土 (RC)構(gòu)造功能等缺點。而如今在國際上 FRP 加固重大工程構(gòu)造技術(shù)已進入主流地位。如：澳大利亞西門大橋 40 余公里橋段承受 FRP 加固；3.11 東日本大地震顯示了 FRP 加固鐵路高架橋效果優(yōu)于鋼材?，F(xiàn)今，纖維復(fù)合材料加固構(gòu)造共有以下五大技術(shù)：一是 FRP抗彎/

13、FRP片材板材粘貼于鋼筋混凝土梁的底面和側(cè)面，這是提高鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎/抗剪承載力的一個有效措施。首先，F(xiàn)RP 將與受拉鋼筋一起供給抗彎作用從而起到抗彎加固的作用，其破壞的主要模式為 FRP 拉斷 、頂部混凝土壓碎 、FRP-混凝土界面剝離三種方式；其次，粘貼于混凝土梁/柱側(cè)面的 FRP 與抗剪腹筋作用類似，是用于限制混凝土斜裂縫進展，從而起FRP拉斷 、FRP-二是FRP抗震加固技術(shù) ，由于FRP材料具有高強、輕、薄、易于施工的特點，因此與傳統(tǒng)的包鋼或增大混凝土截面加固方法相比，F(xiàn)RP 材料具有明顯優(yōu)勢。FRP 抗震加固可以通過包裹粘貼或封閉纏繞纖維布，或在柱外側(cè)套上預(yù)制成型的FRP 管來

14、實現(xiàn)，此技術(shù)對柱抗震加固具有重大奉獻，可提高混凝土的變形力氣、柱延性、柱抗剪力氣與抗壓強度，同時降低軸壓比。三是 FRP 預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，此技術(shù)的三大步驟為：預(yù)張拉不含浸纖維布、粘結(jié)和養(yǎng)護、剪斷釋放端部纖維布。預(yù)應(yīng)力 FRP 加固混凝土能顯著提高構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，改善受彎構(gòu)件在長期荷載的力學(xué)性能，提高構(gòu)件的疲乏壽命；預(yù)應(yīng)力 CFRP加固鋼梁后，其屈服荷載和極限荷載相對于比照梁都有明顯的提高，其提高的程度隨著預(yù)應(yīng)力 CFRP的用量和預(yù)應(yīng)力水平的提高而增大；預(yù)應(yīng)力CFRP加固對鋼梁的剛度提高作用也比較明顯，對低強度的鋼材，提高效果更明顯。而承受預(yù)應(yīng)力FRP加固工程構(gòu)造的關(guān)鍵問題在

15、于預(yù)應(yīng)力的施加體系、預(yù)應(yīng)力把握值、預(yù)應(yīng)力損失和端部的錨固。四是 FRP 網(wǎng)格水下加固技術(shù)，此技術(shù)通過預(yù)制、潛水、安裝、壓漿四個步驟來實現(xiàn)，通過 FRP 網(wǎng)格水下加固技術(shù)，構(gòu)造受力性能和耐久性能均顯著提高，同時，此技術(shù)已形成了一套完整的施工功法，大大降低了本錢與工期。纖維復(fù)合材料增加構(gòu)造背景問題及提出目前土木工程在材料上存在三大問題：其一是是鋼材腐蝕問題嚴峻，根底設(shè)施服役周期長，鋼材腐蝕因素過多，給世界各國帶來巨大損失，尤其是根底設(shè)施建設(shè)規(guī)模已超過世界上其他國家總和的我國，面臨的局面尤其嚴峻。同時， 國家海洋戰(zhàn)略中需要建筑各種海洋工程設(shè)施，導(dǎo)致鋼材在海洋環(huán)境中的腐蝕問題更加突出。其二是重大工程構(gòu)

16、造各項性能亟需高度提升，在現(xiàn)今的工程中，正常使用條件下的局部構(gòu)造照舊存在短命及安全隱患問題預(yù)應(yīng)力混凝土大跨箱梁橋幾乎是 “無箱不裂” ，構(gòu)造下?lián)犀F(xiàn)象突出，工程構(gòu)造倒塌大事多有發(fā)生，同時極端荷載地震、爆炸、沖擊作用下重大構(gòu)造的安全設(shè)計還沒有完全解決，各種快速修復(fù)要求的可修復(fù)性設(shè)計的根底理論也未建立。最終是重大工程構(gòu)造的輕量化，現(xiàn)在的高層建筑、大跨橋梁等重大工程構(gòu)造 85%以上是自重，這巨大重量意味著構(gòu)造的高負荷、高地震響應(yīng)和高本錢。 因此，需要輕量化進展構(gòu)造減壓和超越，以實現(xiàn)其高性能和長壽命。損傷可控構(gòu)造抗震設(shè)計理論現(xiàn)有標準抗震設(shè)計要求“中震可修“，但無定量的計算方法，同時其變形性大、不行修復(fù)，

17、而型抗震設(shè)計要求”中、大震可修“，其變形性小，但缺乏理論指導(dǎo)與設(shè)計方法，由此誕生了損傷可控構(gòu)造抗震設(shè)計理論。其原理如以以下圖所示：6.36.3BFRP筋增加混凝土構(gòu)造與傳統(tǒng)材料相比， 全 BFRP筋具有以下三大優(yōu)點:粘結(jié)性能提升、彎折搭接更機敏、承載力氣抗彎承載、抗剪承載更強。其計算如下粘結(jié)滑移彎折搭接ME A(hx /2)uuc抗彎承載力0V 0.7fbh0tt fA h /sffff抗剪承載力0FRP 索構(gòu)造FRP 索構(gòu)造的一個應(yīng)用為體外預(yù)應(yīng)力索。體外預(yù)應(yīng)力索的布索方式分為單純型和混合型。單純型將預(yù)應(yīng)力索局部布在構(gòu)件截面以外，混合型則將預(yù)應(yīng)力索局部布置在構(gòu)件截面以外，局部布置在構(gòu)件截面以內(nèi)

18、。截面以外的預(yù)應(yīng)力索大多錨固在橋梁支座外或中間橫隔梁上，中間通過設(shè)置轉(zhuǎn)始終轉(zhuǎn)變索的方向，因此一般狀況外預(yù)應(yīng)力索多呈折線型。由此可知，索只能在轉(zhuǎn)向塊處與混凝土接觸，因此能夠大大削減預(yù)應(yīng)力摩擦損失，提高預(yù)應(yīng)力效益。索布置在腹板以外，避開了體內(nèi)布筋時腹板中由于波浪板較密，腹板不易振實的缺點，。此外，索布置在體外，可以很便利的維護和替換。0FRP組合構(gòu)造 FRP FRP-混凝土組合構(gòu)造、鋼-FRP組合桁架構(gòu)造體系與 FRP 橋面板-鋼梁構(gòu)造。它是指將 FRP 與傳統(tǒng)構(gòu)造材料，主要是混凝土和鋼材，通過受力形式上的組合，共同工作來承受荷載的構(gòu)造形式。 FRP 與混凝土通過合理的組合方式使 FRP 型材與混凝土共同受力，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，到達提高受 力性能、降低造價、增加耐久性、便于施工的目的。 FRP 與鋼材組合，可發(fā)揮出鋼材的高彈性模量和 FRP 耐腐蝕、耐疲乏性能好的優(yōu)勢，到達互補的效果?？稍诶瓟D FRP 型材時，直接將鋼筋和鋼絲嵌入 型材中成型；也可在鋼構(gòu)造外部承受 FRP型材封閉，一方面防止鋼構(gòu)造銹蝕，另一方面可與鋼構(gòu)造共 同受力。還可用鋼構(gòu)造骨架與 FRP織物蒙皮結(jié)合的組成蒙皮構(gòu)造。結(jié)語隨著經(jīng)濟高速進展和技術(shù)飛速進步，世界各國對土木工程的要求越來越高。在有些條件下傳統(tǒng)建 筑材料很難滿足這種進展要求。FRP 復(fù)合材料具有輕質(zhì)，高強，耐腐蝕，抗疲乏，耐久性好，多