碳纖維復(fù)合材料cfrp的研究與應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料cfrp的研究與應(yīng)用

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程最重要的結(jié)構(gòu)形式，但混凝土結(jié)構(gòu)中存在鋼筋混凝土、混凝土鈣化等問題。因此，結(jié)構(gòu)耐久性和抗疲勞性差的問題，尤其是在侵蝕和暴露環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)造成的損害更大。每年修復(fù)橋梁和加固橋梁的資金非常多。因此，通過發(fā)展新材料，提高結(jié)構(gòu)性能已成為土木工程領(lǐng)域的趨勢(shì)。碳代理結(jié)構(gòu)木材已成為土木工程的研究熱點(diǎn)[1,2,3,4,5,7,8,9,10,11,12,13，14.15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，26]。1合成碳基化纖維原料纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FRP(FiberReinforcedPolymer)問世于20世紀(jì)40年代.CFRP最開始由美國(guó)制造.1950年,美國(guó)空軍基地在2000℃高溫下牽引人造絲得到CFRP.1959年美國(guó)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(shí)現(xiàn)低模量聚丙烯腈基CFRP的工業(yè)化生產(chǎn);1963年英國(guó)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(xué)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(qiáng)、高彈模的CFRP(芳香族聚酰胺纖維);1970年,日本吳羽化學(xué)公司實(shí)現(xiàn)瀝青基纖維的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);1972年,美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)出密度為1.2～1.5t/m3強(qiáng)度達(dá)3000MPa的Aramid(阿拉米德)CFRP;1980年美國(guó)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(chǎng);1996年全世界碳纖維總生產(chǎn)量已達(dá)17000t,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(guó)其次.其他國(guó)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(yīng)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關(guān)于碳環(huán)保的應(yīng)用研究2.1國(guó)外碳纖維材料在橋梁加固中的應(yīng)用CFRP材料首先應(yīng)用于航天工業(yè),這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)70年代已趨于成熟.在土木工程中的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代的美國(guó).但當(dāng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果不理想,而且價(jià)格很高,所以在其后的二十多年里,FRP材料在土木領(lǐng)域的研究與應(yīng)用沒有得到很大的發(fā)展.在土木工程中的應(yīng)用研究直到80年代初才開始重視,但相關(guān)的研究主要集中在歐美、日本和澳大利亞等國(guó).應(yīng)用范圍多集中于橋梁、海工構(gòu)筑物、非磁性建筑等工程,其中橋梁方面應(yīng)用較多.1991年7月,瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試研究所首次在總長(zhǎng)228m的多跨連續(xù)箱型梁橋(Ibach橋)進(jìn)行了碳纖維加固試驗(yàn)并獲得了成功.20世紀(jì)90年代國(guó)際上對(duì)碳纖維材料在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)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(yīng)用.有些發(fā)達(dá)國(guó)家已編寫了相關(guān)的設(shè)計(jì),施工規(guī)程,指南和手冊(cè).1997年英國(guó)至少在30座橋梁和結(jié)構(gòu)物中采用CFRP加固和修補(bǔ)技術(shù).美國(guó)和加拿大的鹽害較嚴(yán)重,約有60萬座橋梁受害,需要加固和修復(fù).美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)已經(jīng)成立了專門委員會(huì)(ACI440),在美國(guó)很多機(jī)構(gòu)開始CFRP的應(yīng)用研究;加拿大也已經(jīng)建立了相關(guān)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(yīng)用CFRP已經(jīng)有20多年的歷史.2.2frp混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用我國(guó)對(duì)土木結(jié)構(gòu)方面的CFRP研究起步比較晚,在1996年前后才開始.目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu).最初只有國(guó)家工業(yè)建筑診斷與工程技術(shù)研究中心進(jìn)行相關(guān)研究,后來清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等十余所高校相繼開始,并在在板梁柱的模型實(shí)驗(yàn)和加固與修復(fù)方面取得實(shí)質(zhì)性成果.直到1998年才有少量的工程開始應(yīng)用.2000年,成立了全國(guó)纖維增強(qiáng)塑料(FRP)及工程應(yīng)用專業(yè)委員會(huì),并在同年6月召開了“首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)”.我國(guó)已編制并頒布了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》和《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用粘貼樹脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》.FRP國(guó)家規(guī)范正在編制中.近年來,FRP的應(yīng)用研究發(fā)展很快,我國(guó)已有部分企業(yè)開始生產(chǎn)GFRP和CFFP筋.在修復(fù)和加固混凝土結(jié)構(gòu)方面,理論上已經(jīng)比較成熟,技術(shù)上也日趨完善.3超壓板材料特性纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FRP是由包裹在樹脂母體中的連續(xù)纖維做的.以纖維為增強(qiáng)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(fù)合材料.樹脂主要起粘結(jié)作用.土木工程領(lǐng)域常用的FRP材料按纖維成分主要?jiǎng)澐譃?碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer)、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料GFRP(GlassFiberReinforcedPolymer)、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料AFRP(AramidFiberReinforcedPolymer).國(guó)外近來新開發(fā)了PBO-FRP復(fù)合材料、DFRP復(fù)合材料.FRP抗拉強(qiáng)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(qiáng)度是鋼材的20倍,體積分?jǐn)?shù)僅為鋼材的1/5,所以很適合用于超大跨徑橋梁中.CFRP和AFRP的疲勞性能好,為鋼材的三倍,其疲勞極限可達(dá)靜荷載的70%～80%,Odagiri等人建議最大工作應(yīng)力可處于初始抗拉強(qiáng)度的54%～73%之間.新型的FRP產(chǎn)品PBO-FRP除具有高強(qiáng)CFRP相近的力學(xué)性能外,還表現(xiàn)出更好的物理性能,如良好的柔韌性等.DFRP也具有良好的物理性能,抗拉極限應(yīng)變可達(dá)到3.5%,延性很好.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(yù)應(yīng)力張拉用的絞線和筋束等).FRP在土木工程中的應(yīng)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(fù)和加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu);(3)FRP配筋的混凝土結(jié)構(gòu);(4)FRP型材料結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu);(5)FRP索結(jié)構(gòu).FRP型材主要應(yīng)用于橋面板.因其耐腐蝕、重量輕、抗疲勞性好且彈性結(jié)構(gòu)耐超載及施工方便等優(yōu)點(diǎn),所以有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).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AFRP的彈性模量低;3.材料的整體抗剪強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)度低,造成連接設(shè)計(jì)上的困難;4.FRP直到拉斷還表現(xiàn)出線彈性的力學(xué)特征,斷裂應(yīng)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(jié)構(gòu)要求的基本特性,但從結(jié)構(gòu)力學(xué)等綜合性能指標(biāo)的比較來看,CFRP無疑具有很大的優(yōu)勢(shì).CFRP與鋼材相比,具有以下顯著特點(diǎn):(1)抗拉強(qiáng)度高,順纖維方向抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)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(qiáng)度低;(2)重量輕,密度約為鋼材的1/5,便于施工安裝;(3)耐久性好;(4)抗腐蝕性能好,除了強(qiáng)氧化劑外,一般如濃鹽酸、30%的硫酸、堿等對(duì)其均不起作用;(5)熱膨脹系數(shù)低;(6)應(yīng)力-應(yīng)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(jié)構(gòu)形式和材料美學(xué)統(tǒng)一起來;(9)非磁性.從CFRP材料的綜合物理、力學(xué)特性來分析,CFRP材料適合作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件,特別適用于純受拉構(gòu)件,材料自身的優(yōu)勢(shì)可以得到最大限度的發(fā)揮.工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn).目前,CFRP主要應(yīng)用在舊橋加固時(shí)約束裂縫的開展,承受拉應(yīng)力;新建橋梁中主要作為受拉的纜索或主梁的預(yù)應(yīng)力筋.4混凝土錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景CFRP片材包括布材和板材,主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)及加固.基于國(guó)內(nèi)外幾十年的應(yīng)用研究,該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟.主要應(yīng)用于鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的加固和修復(fù).CFRP筋及型材用于增強(qiáng)新建結(jié)構(gòu).CFRP筋是采用多股連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)纖維,熱固性樹脂作為機(jī)體材料,將增強(qiáng)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(fù)合材料.CFRP預(yù)應(yīng)力索作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料可以替代傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)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(gè)工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用FRP筋.CFRP拉索的密度與溫度變形系數(shù)遠(yuǎn)小于鋼絲,因此在CFRP斜拉索中,由于自重所導(dǎo)致的彈性模量的損失(垂度效應(yīng))將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼斜拉索,而且CFRP對(duì)溫度變化不敏感.FRP與混凝土組成的混合結(jié)構(gòu)也是今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì).若在橋梁上部結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP,則設(shè)計(jì)應(yīng)力中的活載應(yīng)力的比例由10%～20%提高到50%～70%.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(yīng)用前景.日本是世界上第一個(gè)在混凝土橋梁中采用CFRP絞線作為預(yù)應(yīng)力筋的國(guó)家.1988年,在石川縣Shinmin拱橋中首次采用CFRP絞線.此橋是先張法預(yù)應(yīng)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1030m的Kurushima懸索橋中,首次采用碳纖維束作為錨道的主要纜索.根據(jù)日本復(fù)合筋俱樂部2002年統(tǒng)計(jì),日本已有200多項(xiàng)工程中采用FRP筋和FRP絞線.美國(guó)已經(jīng)設(shè)計(jì)和施工了多項(xiàng)示范工程,如聯(lián)邦公路管理局的預(yù)應(yīng)力大梁試驗(yàn)和密歇根州的橋梁工程.英國(guó)于1992年建成主跨為63m的FRP人行斜拉橋.加拿大將FRP預(yù)應(yīng)力筋用于Talor、Crowchild、Forre三座大橋上,均于1997年建成.丹麥于1999年建成總長(zhǎng)80m,的Herning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.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(yù)應(yīng)力束.2002年美國(guó)和日本合作建成了密歇根州Southfirld市的第一座CFRP筋橋.重慶交通學(xué)院于1986年建成國(guó)內(nèi)第一座蜂窩夾心FRP板組合箱梁?jiǎn)嗡髅娣菍?duì)稱斜拉橋(全橋長(zhǎng)50m).新型材料用于斜拉橋趨勢(shì)發(fā)展迅猛,將使其承載力提高50%左右,極限跨徑達(dá)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8400m的復(fù)合材料斜拉橋的建造奠定了基礎(chǔ).CFRP是一種晶體材料,其徑向與橫向強(qiáng)度比(20∶1)較大,盡管抗拉強(qiáng)度很高但其抗剪強(qiáng)度低.而在預(yù)應(yīng)力CFRP筋的錨固系統(tǒng)中,同時(shí)存在著縱向拉應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力,當(dāng)CFRP筋在錨具處的主應(yīng)力超過臨界值破裂時(shí),其抗拉強(qiáng)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(huì)由于其橫向強(qiáng)度過低導(dǎo)致錨具組裝件在錨固區(qū)過早失效.因此,將CFRP筋用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是尋求可靠的錨固方法,開發(fā)研制適應(yīng)CFRP筋特性的新型錨具.CFRP筋專用錨具應(yīng)該避免應(yīng)力集中,制作方便,體形小巧,耐久性好.5關(guān)于碳錨設(shè)備的應(yīng)用研究5.1夾片-粘結(jié)式錨具國(guó)外學(xué)者自上世紀(jì)80年代開始對(duì)FRP筋的粘結(jié)性能進(jìn)行研究.通過大量的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)膠著力和摩擦力對(duì)GFRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度起決定性作用.當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的粘結(jié)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(guó)和加拿大等國(guó)家對(duì)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(WedgeType)、灌漿式(GroutType)和壓鑄管式(Die-cadtWedgeTypeSystem)三種.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(yīng)力過大而造成的碳纖維筋的剪切失效破壞.粘結(jié)式錨具包括樹脂套筒錨具(Resinsleeveanchor)、和樹脂封裝錨具(Resin-pottedanchor).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(jié)劑得以實(shí)現(xiàn).并采用支承螺母錨固到構(gòu)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(jié)型錨具的優(yōu)點(diǎn)是容易制作和檢驗(yàn),缺點(diǎn)是需要預(yù)先下料,并為樹脂和水泥漿的硬化留一定的時(shí)間.此外,粘結(jié)型錨具的尺寸較大,長(zhǎng)度可達(dá)500mm,抗沖擊能力差,蠕變大,對(duì)施工環(huán)境的要求較高.夾片-粘結(jié)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(jié)力傳遞至套筒,并通過粘結(jié)和夾片橫向壓力的綜合作用進(jìn)行錨固.普通的粘結(jié)型錨具包括錨具套筒和緊固螺栓,錨固原理是采用粘結(jié)材料將碳纖維筋和套筒粘結(jié)在一起,再通過緊固螺栓張拉并產(chǎn)生錨固效果.國(guó)外類似錨具所采用的粘結(jié)材料種類很多,包括環(huán)氧基粘結(jié)劑,硅酸鹽水泥以及低熔點(diǎn)合金等.夾片-粘結(jié)式錨具兼顧了機(jī)械夾持式錨具與粘結(jié)型錨具的雙重優(yōu)點(diǎn),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錨具的研制在預(yù)應(yīng)力張拉錨固體系方面,我國(guó)的技術(shù)一直比較落后.1984年建設(shè)部將鋼絞線預(yù)應(yīng)力張拉錨固體系的研究列入了科學(xué)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃,經(jīng)過幾年的研制與試用,于1987年前后推出了XM預(yù)應(yīng)力體系與QM預(yù)應(yīng)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.而CFRP筋錨具可以分為機(jī)械夾持式、粘結(jié)式和復(fù)合式.主要包括在以下兩個(gè)方面中:改造統(tǒng)夾片式錨具的和開發(fā)新型粘結(jié)式錨具.東南大學(xué)張志文等人結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有張拉設(shè)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(hù)筒夾片式錨具.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(shí)對(duì)中,防止受力偏心.但灌膠式類型錨具的缺點(diǎn)是膠固化時(shí)間長(zhǎng).湖南大學(xué)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(duì)夾片時(shí)螺紋進(jìn)行工藝處理,取得了較好的錨固效果.粘結(jié)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.廣西工學(xué)院張鵬等人對(duì)傳統(tǒng)鋼絞線夾片式錨具進(jìn)行改造,采用細(xì)牙,同時(shí)適當(dāng)減小了齒高和齒距,降低了錨具對(duì)CFRP筋的嵌入深度.他們開發(fā)的粘結(jié)式錨具采用環(huán)氧樹脂作為填料,錨杯為無縫高強(qiáng)鋼管,此錨具在張拉時(shí)共同受力,但灌裝工藝需要真空,施工很復(fù)雜.CFRP筋錨具的研制均應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題:(1)CFRP筋的極限強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能,以及筋的形狀、所用纖維及機(jī)體類型,制造工藝等材料特征等;(2)錨具對(duì)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(duì)錨具的影響.6疲勞損傷機(jī)理目前,CFRP材料主要用于非承重結(jié)構(gòu),但逐漸開始在承重結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.因此,對(duì)其進(jìn)行抗疲勞性能研究非常重要.國(guó)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