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1、一种用于结构工程加固的新型FRP复合材料天津建材3/2002深圳市建设工程质量检测中心郑伟1,前言纤维增强树脂材料FRP具有许多传统建筑材料所不具备的优良特性,如轻质高强,透电磁波,耐腐蚀,保温和隔声性能好,耐老化以及改性后具有耐磨和防火性能等,还有透光,抗振,成型方便等优良性能,因而越来越多地用于建筑领域玻璃纤维增强塑料CFRP是FlIP材料家族中重要的成员之一.CFRP用于土木建筑已是国际土木工程界的一个热点,其应用范围与使用量正以惊人的速度增长在国外,C,FRP材料在建筑领域有着广泛的应用,例如在非规则形状的结构中:运动场大跨度看台屋盖等.在国内,80年代以前CFRP主要用于军工产品
2、,各研究机构之间受到保密限制,不便交流,对GFRP的优良性能不了解,得不到可靠的性能数据,故未大量用于建筑结构.另外,当时的FRP自身存在着一些缺点,如价格偏高,弹性模量低,耐磨性能差等也阻碍了它的应用.90年代开始,随着对FRP材料研究工作的不断深入,使FlIP的缺陷得以克服,产品价格有所下降.大型建筑结构中的一些典型应用取得很好的效果.FRP作为一种新型的有发展潜力的建筑材料,并不是要取代传统的建筑材料——钢材与混凝土,而是作为传统建材的一个重要补充,尤其是应用于加固,补强工程,比传统的材料和使用方法有显着的优势:国外开发应用的FRP材料主要有碳?35?天津建材3/2002纤维复合材料
3、(CFRP),玻璃纤维复合材料(GFRP),凯芙拉纤维复合材料(AFRP)以及上述纤维复合材料的混合体.然而,在国内,高强纤维复合材料在土木工程中的研究起步时间不长,在90年代末正式开始对碳纤维增强塑料(CFRP)加固修复土木建筑结构进行研究与应用,并于1998年发布了企业标准《碳纤维布加固修补结构技术规程(试行)》.然而,其研究对象基本上局限于碳纤维,很少涉及其他类型的纤维.本文将探讨一种新型的FRP复合材料的主要性能及其在工程中的典型应用.这种新型复合材料由复合纤维编织布和专用树脂复合而成.其中的复合纤维编织布是一种特制的编织物,由高强玻璃纤维和凯芙拉(Kevlar)纤维垂直编织而成:
4、专用树脂是由两组基本树脂材料按一定比例混合而成:将复合纤维编织布与专用树脂在现场混合后,充分粘贴于待补强的结构表面,与原混凝土结构形成新的复合结构,以达到提高原结构承载力和耐久性的目的,并且与T梁和板梁传统的加固方法(加大截面,粘贴钢板)相比,具有强度高,重量轻,耐腐蚀,施工简便迅速,不需养护,无噪声,无需封闭交通的特点.2,FfuP材料的技术指标新型FRP复合材料中纤维的材料技术指标参见表一.专用树脂的材料性能见表二.复合纤维编织布与专用树脂结合后形成的复合材料性能见表三.表一复合纤维的材料技术指标表二专用树脂技术指标(经60℃,72小时养护)注:上述力学性能测试的温度为21℃?36?天
5、泽建材3/2oO2表三复合纤维编织布与专用树脂结合后形成的复合材料性能序复合材料性能As1M方法测试值号1主方向(玻璃纤维方向)抗拉强度D一3O39最小450MPa,平均575MPa2横向(凯芙拉纤维方向)抗拉强度D一303940MPa3纤维布与树脂复合后层厚1.3mm4最小延伸率D一3O392.2%5主向截面弹性模量D一303926.1×lo3MPa6横向抗压强度B$6329177.5MPa7热膨胀系数7.74×lO一/℃8与C15混凝土粘结力(破坏于混凝土层)C4822.58MPa9与CAO混凝土粘结力(破坏于混凝土层)C4824.58MPa阻燃,经过260℃高温并l0裸露耐火性能E—
6、ll9冷却后强度无损失抗拉强度的耐久性100%湿度环境下7天强度D224795%臭氧环境下1000小时强度95%1丑2碱性环境下1000小时强度C58195%盐水浸泡下1000小时强度C58l95%60℃干热环境下1000小时强度D304595%从上表可知,与碳纤维相比,该复合材料具有如下特点:与混凝土的热膨胀系数一致,不会产生附加的温度应力,这对于暴露在野外且留有伸缩缝的桥梁来说非常重要,而碳纤维的热膨胀系数与混凝土相差l0倍,粘贴在桥梁表面引起的混凝土内温差应力将会较大;不导电,不会产生电化学腐蚀,而碳纤维是导体;延性及柔韧性好,不易折损,抗冲击能力强,而碳纤维较容易沿垂直于平面的方向
7、脆断,不耐碰撞;具有较大的层厚(1.3mm),对桥梁墩柱的抗震约束加固效果明显,碳纤维虽然抗拉强度高,但其层厚一般只有0.12ram,其约束作用较薄弱;弹性模量于混凝土相当,而碳纤维的弹性模量高,加固后的极限状态多为脆性破坏.3,室内试验及结果分析与钢筋相比,FRP材料通常拥有数倍乃至十几倍的强度,其它力学性能也有很大的差异.采用FRP材料加固混凝土结构存在破坏形式,延性,极限强度,耐久性等一系列的新问题.本文讨论的是F
