高性能纖維及其制品在橋梁加固中的應(yīng)用

高性能纖維及其制品在橋梁加固中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，世界各國(guó)在交通和其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面取得了很大進(jìn)展，特別是在道路和橋梁建設(shè)方面。因此，如何延長(zhǎng)道路和橋梁的使用壽命，減少不必要的耐久性，已成為近年來的研究熱點(diǎn)。高性能纖維及其制品材料因良好的耐久性和抗疲勞性等成為解決路橋建設(shè)中路基不強(qiáng)、橋面結(jié)構(gòu)破壞、鋼筋銹蝕等問題的重要選擇。1復(fù)合材料材料加固玻璃纖維是玻璃在熔融狀態(tài)下以外力控制噴吹或以離心力甩成的纖維狀材料，與其他材料相比，其強(qiáng)度高、電絕緣性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性和隔音性優(yōu)良。近年來人們通過對(duì)玻璃纖維性能的深入研究，開發(fā)了玻璃纖維在電工絕緣、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和建筑材料等領(lǐng)域中的新用途。玻璃纖維是復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)纖維，尤其是在路橋建設(shè)中起著重要應(yīng)用，其主要制品主要包括玻璃纖維增強(qiáng)水泥和玻璃鋼。玻璃纖維增強(qiáng)水泥是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以水泥凈漿或水泥砂漿為基體而形成的一種復(fù)合材料。該材料不僅可以提高水泥基的抗彎、抗拉強(qiáng)度，還可以提高其抗沖擊強(qiáng)度。其問世克服了以水泥為基體的建筑材料抗彎、抗拉強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度低的缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，少量的玻璃纖維加到水泥基體中就可以取得很好的增強(qiáng)效果，玻璃纖維在水泥基體中能夠保持較高的強(qiáng)度和較好的韌性，使得復(fù)合材料使用壽命長(zhǎng)，且可靠性較高。用玻璃纖維加固鋼筋混凝土梁具有重量輕、可現(xiàn)場(chǎng)剪裁、粘貼方便、材料不生銹等優(yōu)點(diǎn)，因此在橋梁加固中得到廣泛應(yīng)用。玻璃鋼即玻璃纖維增強(qiáng)塑料，是以熱固性或熱塑性樹脂為膠結(jié)料，以玻璃纖維或玻璃布為填充料的一種復(fù)合材料，它綜合發(fā)揮了兩種原材料的優(yōu)點(diǎn)，具備輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)。該材料耐熱性、耐腐蝕性及電絕緣性均良好，但剛度不如金屬，且蠕變較大。玻璃鋼可做成板，也可織成布。比如用玻璃鋼制成梯形或六角形空心長(zhǎng)筒，再把它們粘合成整體，形成“蜂窩橋面板”，然后橫鋪在主梁上構(gòu)成行車道板，其重量?jī)H相當(dāng)于混凝土的1/5，可大大減輕橋梁自重，相當(dāng)于提高了承載能力；玻璃鋼還可做成永久性橋墩模板，在腐蝕環(huán)境中更能發(fā)揮其抗腐蝕優(yōu)勢(shì)，大大提高橋墩耐久性；在加固橋墩立柱時(shí)，可用玻璃絲布將立柱纏繞起來，分層用環(huán)氧樹脂浸透，可以為立柱砼提供側(cè)限，同時(shí)起到保護(hù)作用；用玻璃鋼制成各種土工織物即玻璃纖維土工格柵，可解決道路建設(shè)中的諸多問題。道路專用玻璃纖維土工格柵是一種增強(qiáng)道路路面的新型優(yōu)良基材，它采用纖維長(zhǎng)絲雙面涂敷而成，具有很高的縱橫向抗拉強(qiáng)度，延伸率低，耐高溫。經(jīng)表面處理之后，抗堿性較高，可應(yīng)用于瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面工程，有效防止了道路反射裂縫、龜裂、網(wǎng)裂等質(zhì)量通病。2在水泥漿中的應(yīng)用碳纖維是指含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維。碳纖維比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量等特性，在國(guó)防、軍工和民用方面都是重要材料。高性能碳纖維是制造先進(jìn)復(fù)合材料的重要增強(qiáng)材料，這種復(fù)合材料由碳纖維及其聚合物基質(zhì)組合而成，其中碳纖維主要增加剛度和強(qiáng)度，而聚合物基質(zhì)增強(qiáng)彈性和韌性。目前該材料在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在路橋建設(shè)方面，其中應(yīng)用最廣的是碳纖維混凝土。碳纖維混凝土是在普通混凝土中加入片狀的碳纖維，碳纖維在水泥漿的強(qiáng)堿性環(huán)境中穩(wěn)定性好，無毒無害，無石棉纖維的致癌結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)于玻璃纖維、鋼纖維，并且對(duì)水的濕潤(rùn)性大，與混凝土粘結(jié)緊密，因而增強(qiáng)效果特別好。研究表明，加入碳纖維后不僅可顯著提高混凝土的強(qiáng)度和韌性，而且其電學(xué)性能也有了明顯改善，具備本征自感應(yīng)、自調(diào)節(jié)功能，可以作為傳感器并以電信號(hào)輸出形式反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度，或作為驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)自身溫度、應(yīng)力及變形，在智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究和開發(fā)中備受關(guān)注。碳纖維復(fù)合材料中亂向分布的碳纖維主要用于阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展并阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，因此其抗拉強(qiáng)度和主要由主拉應(yīng)力控制的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等均有明顯改善；同時(shí)提高了基體抗變形能力，從而改善其抗拉、抗彎和抗沖擊韌性。碳纖維混凝土高強(qiáng)高效、長(zhǎng)耐久性、耐腐蝕等特點(diǎn)使其成為橋梁加固和建筑物抗震補(bǔ)強(qiáng)的理想材料。與傳統(tǒng)的鋼材相比，復(fù)合材料密度低、強(qiáng)度高、抗蝕性好、操作性能好、抗疲勞和抗蠕變性好，可以加預(yù)應(yīng)力、不會(huì)生銹，而且可以保持原有的外形不變，保持了橋梁原有的設(shè)計(jì)特色。隨著碳纖維成本的不斷降低與復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，土木建筑領(lǐng)域?qū)⒊蔀樘祭w維復(fù)合材料應(yīng)用的重要市場(chǎng)。3芳綸織物在特透橋加固中的應(yīng)用芳綸屬于芳族聚酰胺纖維，其分子結(jié)構(gòu)具有很高的伸直平行度和取向度，這種分子結(jié)構(gòu)決定了芳綸具有很高的強(qiáng)度和模量，以及良好的熱穩(wěn)定性。芳綸在150～180℃下仍具有較高的斷裂強(qiáng)度，在180℃下放置200h，其強(qiáng)力仍可保持90%以上；此外，芳綸還具有較好的耐腐蝕性和防潮性。高性能芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料具有強(qiáng)力高、伸長(zhǎng)小、重量輕、柔軟、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、航海、防護(hù)服、纜繩、建筑等領(lǐng)域，代表性產(chǎn)品主要包括用于路橋建設(shè)的芳綸布、筋棒和芳綸混凝土等。芳綸布是一種用于土木結(jié)構(gòu)工程的新材料，主要成分是對(duì)苯二胺聚合物，其中既含脂肪族主鏈又含芳香族主鏈，所以分子結(jié)構(gòu)牢固，它除了具有一般復(fù)合材料所共有的輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈性模量、耐腐蝕等特點(diǎn)外，還具有非常好的抗沖擊、抗剪切、抗疲勞、延展性、電絕緣性特點(diǎn)，是一種理想的加固修補(bǔ)材料。在加固橋梁時(shí)，加固方式包括抗彎和抗剪，其中在進(jìn)行抗彎加固時(shí)，芳綸的纖維方向與梁軸向一致，一般貼在梁的受拉側(cè)，以提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)表明：貼一層AK–40芳綸布可提高承載30%，貼兩層可提高40%。在進(jìn)行抗剪加固時(shí)，芳綸布的纖維方向與梁軸向垂直。使用該種材料進(jìn)行加固修補(bǔ)后，可節(jié)省大筆維修費(fèi)用，且其本身可以起到對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，達(dá)到雙重加固修補(bǔ)的目的。作為具有優(yōu)良性能的芳綸，可以將它編成束，經(jīng)過樹脂浸漬和熱處理制成3～16mm粗的筋棒。這種筋棒能夠承受8～250kN的拉力，極限拉伸率為2.0%，同時(shí)具有極高的抗酸堿腐蝕性能，可以彎曲成很小的半徑，作為螺旋筋使用。該復(fù)合材料可被制成橋墩構(gòu)建，并起到加固橋梁的作用。在混凝土中加入一定量的芳綸短纖，可制成增強(qiáng)混凝土，該材料除了強(qiáng)度高、重量輕以外，還能耐鹽類腐蝕，可延長(zhǎng)建筑物壽命，用于路橋建設(shè)中可實(shí)現(xiàn)普通混凝土達(dá)不到的效果。芳綸復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)明顯，性價(jià)比高，相信將在路橋建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。4纖維混凝土在路基施工中的應(yīng)用高性能纖維及制品由于具有高強(qiáng)、阻裂、抗?jié)B、抗凍、抗沖擊、耐磨和抗腐蝕等特點(diǎn)，在路橋建設(shè)方面發(fā)揮了很大的作用，尤其是隨著工程建設(shè)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展