第一情报 ---材料工业

芳纶纤维在土建中的应用

供稿人:宋鸿  供稿时间:2005-2-25   关键字:芳纶  (梁  or  柱)  增强  
一、    背景
纤维增强塑料(fiber reinforced plastic 或fiber reinforced polymer,FRP)可用于新建结构、补强加固旧建筑物、构筑物、预应力结构、路面结构、桥梁工程、海岸和近海工程中。FRP中用于工程的主要有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。土建结构加固中常用的纤维材料主要是碳纤维布(Carbon FRP sheet)和玻璃纤维布(Glass FRP Sheet)。由于玻璃纤维布的强度和弹性模量较低,其加固效果、耐久性较碳纤维布稍差,所以,自二十世纪90年代末碳纤维布进入土建加固领域以来,玻璃纤维布的应用和研究逐渐减少,取而代之的是对碳纤维布研究和应用的热潮。碳纤维布具有质量轻、强度高、弹性模量大等特性,使其适用范围遍布整个土木工程领域,但碳纤维布的某些性质使其在一些场合并不是最佳选择,如碳纤维布脆性大,不能弯折,因而不适合于方柱加固。另外,碳纤维布是一种导电、导磁的材料,在某些特殊工程中不适合使用,如医院的核磁共振室、信号接收塔等结构。在这种情况下,芳纶纤维布(Aramid FRP Sheet,AFRP)进入了土建加固领域的研究和应用之中。
 
芳纶纤维与碳纤维、玻璃纤维相比,力学性能介于二者之间,见下表。芳纶纤维布柔韧性好,适合于方柱的加固,而且是电场、磁场的绝缘体,不会对电场、磁场产生干扰。
 
表 纤维的力学性能
纤维类型
拉伸强度MPa
拉伸模量GPa
延伸率%
璃纤维
3100-3500
72.4-81.4
4.0-5.0
芳纶纤维
3500-4100
130-190
2.0-2.8
碳纤维
3500-4800
207-380
0.6-1.9
 
二、    研究现状
芳纶纤维布除了具有FRP 复合材料的共性,即轻质高强、高弹模、耐腐蚀等性能外,还具有非常好的抗冲击、抗剪、抗疲劳、延性、电绝缘性的特点,是一种非常理想的混凝土墩柱、钢筋砼梁加固、防撞及抗震材料,比碳纤维更适合于铁道、电气设施等结构物,因而有其优势,受到人们的青睐。日本于1996年6月组成芳纶FRP材料的加固研究组,由杜邦、东丽、帝人和Nihon Aramid ,以及几家建筑公司等30个成员参加,旨在实现高速公路、铁道支承柱和结构件的抗震改型补强。
 
美国West Virginia 大学Wael A.Zatar等人2003年将AFRP呈U型外包粘贴在RC梁上,梁抗剪切承载力提高5%,作者采用有限元法进行模拟,模拟结果与实际情况吻合。该模型可定量确定高速公路的哪根RC梁需要用AFRP板加固。
 
日本Ryukyus 大学Kooroush Nasrollahzadeh等人2004年用芳纶纤维带加固方柱,这项技术具有两个优点:(1)应用方便、快捷,无需重型机械;(2)不需倒角,故也无需运走柱倒角产生的尘渣,因而省时、节能;(3)是修补震后RC柱的理想选择。实验结果发现,粘贴2层芳纶纤维、条带间距200mm时,方柱轴心受压变为原来的20%,承载力提高80%。
 
美国Alabama大学 Toutanji, Houssam等人2002年采用芳纶外包增强混凝土梁,测量了受试样品的轴心负载和环应力负载,发现芳纶纤维明显增强混凝土梁的强度、延展性。作者还测试了恶劣环境条件下(如:湿-干条件、冻融条件)芳纶外包增强混凝土梁的性能。样品暴露在盐水中经过湿-干300次循环,结果表明湿-干试验,样品强度不改变 ,冻融试验,样品强度发生改变。
 
比利时De Neef, Dirk Christiaan Jozef Isidoor 申请的美国专利US 2002193025采用芳纶等纤维对梁、柱、板等进行外部加固,在该外部加固材料的轮廓界限分明的部分提供由纤维构成的附加的加固材料,该构成附加加固材料的纤维按照至少一个不同于加固材料的纵向的方向布置。该专利已在中国申请专利,专利号为CN1388848。
 
国内也在加紧研究,如:华南理工大学交通学院赵琛等人2003年通过试验研究了芳纶纤维片材对钢筋混凝土梁抗剪加固作用,分析了不同粘贴方式和锚固方式对加固效果的影响。按照条带间距的不同将六根试件分成三组(I、J、K),AFRP薄板均为U型外包设计。I组极限荷载为75.3078~77.4029kN,极限荷载平均值为76.3554 kN,与未加固梁对比,抗剪承载力提高9.1%。
 
深圳海川工程科技有限公司何唯平等人2004年将芳纶布应用在混凝土墩柱加固中。采用芳纶布时棱柱体构件棱角只需打磨10 mm 左右,粘贴2层路威2008 芳纶纤维布后,柱承载力提高51.7%。
 
后勤工程学院军事土木工程系贾明英、冶金工业部建筑研究总院陈小兵、新疆军区建筑勘察设计院赵红梅等人2002年以15 根外包碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的混凝土圆柱轴心受压后试验结果为基础,着重研究混凝土圆柱外包碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维3 种复合纤维轴心受压后的抗压强度和变形能力的提高程度,并对3 种FRP 材料的约束效果进行对照。其中芳纶纤维强度较高,承载力提幅较大,1层时承载力提幅73%;2层时承载力提幅174%;3层时承载力提幅250%。纤维厚度对组合柱承载力影响很大。芳纶纤维最明显:承载力两层为单层的2.7 倍,3 层为单层的3.9 倍。
 
三、    应用案例
作为一项成熟的技术,用芳纶纤维对混凝土进行加固,在工程实践中已被采纳。以日本为例:South Yard Country Club吊桥建于1990年,采用4.86×19.5mm(0.2×0.75in.)芳纶纤维片加固;Tabras Golf Club 桥(梁式,跨度11. 8m ,宽2. 4m)1990年采用芳纶带加固;Birdie 桥(梁式,跨度54. 4m,宽2. 4m)1990年采用芳纶筋加固;Sumitomo 桥(梁式,跨度25m,宽2. 4m)1991年也采用芳纶筋加固;羽田国际机场的非磁性测试混凝土路面采用碳纤维和芳纶筋加固(用树脂铸造和楔的办法固定,不需要承担永久荷载)。
 
除碳纤维外,与纤维筋类似,我国及美国、日本、加拿大等国已有用芳纶纤维和玻璃纤维制成的产品(布、条或板)。值得指出的是,国际桥梁与结构工程学会(IABSE)在1999年11月出版的Structural Engineering第9卷第4期中,集中报道了加拿大、美国、日本、欧洲诸国在发展使用这种新型材料方面的经验,对激发我国开展这种新材料的生产与应用很有意义。
         

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