王蘭彩

土木工程學(xué)科的發(fā)展,很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料的應(yīng)用與發(fā)展。如對于傳統(tǒng)的鋼筋,應(yīng)尋找一種強度高、重量輕和耐久性好的新材料來替代。傳統(tǒng)的配筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍面臨著鋼筋銹蝕、混凝土老化等問題,結(jié)構(gòu)耐久性和抗疲勞性不好,處于惡劣環(huán)境下的混凝土橋梁更是如此。對既有結(jié)構(gòu)的加固、維修與改造,應(yīng)以具有比強度高、施工快捷、施工后結(jié)構(gòu)承載力明顯提高等優(yōu)異性能的材料所代替[1,4]。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同而互補的材料組成,具有比組成材料更優(yōu)越的綜合性能。纖維增強復(fù)合材料(FRP)問世于20世紀(jì)40年代。FRP筋是以纖維為增強材料,以合成樹脂為基體材料,并摻入適量輔助劑,經(jīng)拉擠成型形成的新型復(fù)合材料,具有高強、輕質(zhì)、抗腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點。纖維分有機纖維和無機纖維兩種,抗拉強度和彈性模量都較高。纖維可以分為碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP)、玻璃纖維(Glass Fiber Reinforced Polymer,簡稱GFRP)、芳綸纖維(Aramid Fiber Reinforced Polymer,簡稱AFRP),還有其他諸如聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等[5];常用的基體材料有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂等[6]。

1 FRP材料的類型

1)碳纖維(CFRP)。碳纖維按原材料類型分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、中間相瀝青(MP)基碳纖維、粘膠(人造絲, RAYON)基碳纖維、酚醛基及其他碳纖維[7,8]。聚丙烯腈纖維是以丙烯腈(AN)為主要鏈接結(jié)構(gòu)單元的聚合物經(jīng)過紡絲加工而制成的纖維;中間相瀝青基碳纖維是通過熱聚合高芳香含量的同性瀝青得到的具有中間相或液晶結(jié)構(gòu)的瀝青,將其進行紡絲加工而制成的纖維。腈基碳纖維原絲彈性模量低(300GPa左右)而極限應(yīng)變高,瀝青基碳纖維則正好相反(彈性模量可達800 GPa)。目前,世界上強度最高的碳纖維原絲是日本東麗公司生產(chǎn)的 T1000,其抗拉強度達到了7.02GPa,拉伸模量為293GPa[8]。CFRP的比強度可達鋼材的 20倍,容重僅為鋼材的 1/5,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3倍,其疲勞極限可達靜荷載的70%～80%。新型的FRP產(chǎn)品PBO-FRP除具有高強CFRP相近的力學(xué)性能外,還表現(xiàn)出更好的物理性能, DFRP也具有良好的物理性能,抗拉極限應(yīng)變可達到3.5%,延性很好[12]。

2)芳綸纖維(AFRP)。芳綸纖維是芳香聚酰胺纖維的簡稱,由苯二甲酸和苯二胺合成,是人造有機纖維,于 1971年由美國杜邦公司發(fā)明。芳綸纖維的密度比碳纖維小,且低導(dǎo)電;剛性、受拉韌性好,極限延伸率比碳纖維高,但在潮濕的環(huán)境中松弛率也較大;芳綸纖維的彈性模量和抗拉強度均比碳纖維低,其抗拉強度為2 600MPa～3 500MPa,彈性模量為83 GPa～186 GPa;芳綸纖維的力學(xué)性能受紫外線直接照射會降低。芳綸纖維主要有兩類:一類是聚對苯二甲酰對苯二胺(PPDA)纖維,如美國杜邦公司的Kevlar-49,荷蘭恩卡公司的Twaron HM,中國的芳綸1414等;另一類是聚對苯甲酰胺(PBA)纖維,如Kevlar-29,芳綸14等[9]。

3)玻璃纖維(GFRP)。玻璃纖維強度高、松弛率低、絕緣性能好。但其彈性模量低,且在堿性、潮濕環(huán)境和長期荷載作用下性能降低較大[5]。應(yīng)用較多的玻璃纖維主要有E-glass和S-glass兩種[10]。E-glass的強度和彈性模量較低,其抗拉強度為2 300MPa～3 900MPa,彈性模量為74 GPa～87 GPa,但由于價格較低,E-glass玻璃纖維被廣泛使用;S-glass強度高,剛度和極限延伸率大,但價格較高。為了改善玻璃纖維的性能,出現(xiàn)了C-glass,AR-glass等具有一些特殊性能的玻璃纖維,使得玻璃纖維的耐酸、耐堿性能得到了一定程度的改善,但這些玻璃纖維的價格偏高[5]。

2 FRP筋的特性

2.1 FRP筋的彈性模量

影響FRP筋彈性模量的直接因素是晶粒的取向度,而熱處理中的張力是影響這種取向性的主要因素。FRP筋的彈性模量除了是材料的固有屬性 E0的函數(shù)外,它還是微晶沿纖維軸取向度的函數(shù)。取向度越高,碳纖維的彈性模量越大。對于強度而言,情況要復(fù)雜一些,一般是隨著熱處理溫度的升高,強度出現(xiàn)一個峰值,在峰值以前,強度隨著熱處理溫度提高而增加,達到峰值以后,隨著熱處理溫度的提高,強度逐漸下降[13]。

2.2 FRP筋的應(yīng)力松弛

應(yīng)力松弛是材料保持長度不變,應(yīng)力隨時間增長而降低的現(xiàn)象。目前生產(chǎn)廠家所測試的松弛和徐變紀(jì)錄僅局限在 100 h范圍內(nèi)。在松弛試驗中,若試件伸長量保持恒定,則可以測出荷載隨時間遞減,是時間的函數(shù)。從一定時間的常溫松弛試驗結(jié)果可推斷出100 h后的松弛應(yīng)變。AFRP在空氣中和堿性液體中的松弛應(yīng)變分別為15%和20%～25%,CFRP筋在100 h后的應(yīng)力松弛損失約為3%,同鋼筋相差不大。試驗表明,CFRP筋的長期應(yīng)力松弛很小,在一般性設(shè)計中可忽略不計,但對重要工程,為保險起見,應(yīng)力損失可采用 3%[6]。

2.3 FRP筋的徐變

FRP筋在高持續(xù)荷載下也會像混凝土那樣因為徐變斷裂而破壞。徐變系數(shù)是在荷載不變的情況下徐變與彈性應(yīng)變的比值。AFRP的徐變系數(shù)為16.5%,并且高溫會加速AFRP的老化。AFRP在 600℃時從加載到發(fā)生斷裂的時間只有 200 h的 1/15～1/10。試驗研究表明,當(dāng) FRP筋的持續(xù)荷載超過極限抗拉強度的75%～85%時,壽命會受影響,如果FRP筋束所處的環(huán)境會腐蝕纖維或基體,其徐變斷裂的壽命會更短。FRP筋張拉力控制在50%～60%之內(nèi),徐變引起的斷裂可能性極小。因此,目前將作用于FRP筋束的長期荷載限定在其靜力抗拉強度的50%～60%,從而降低初始預(yù)應(yīng)力容許值[6]。

2.4 FRP筋的疲勞性能

FRP筋有良好的抗疲勞性能。循環(huán)疲勞試驗表明,碳纖維筋有良好的抗疲勞性,平均應(yīng)力是極限強度的 61%,最小應(yīng)力是極限強度的55%,最大應(yīng)力是實際限度的 64%。這種纖維筋的彈性模量在疲勞試驗后沒有改變[6]。在三種纖維筋中,碳纖維筋的抗拉強度和彈性模量最高,抗剪強度介于玻璃纖維和阿拉米德纖維之間,其長期特性如松弛、徐變及斷裂應(yīng)力等對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的影響很小,非常適合作預(yù)應(yīng)力筋使用。

2.5 FRP耐久性

材料耐久性是指材料在物理作用、化學(xué)作用及生物作用下,經(jīng)久不易破壞也不易失去其原有性能的性質(zhì),它反映了材料的一種綜合性質(zhì),如抗凍性、抗風(fēng)化性、抗化學(xué)侵蝕性、疲勞性能、沖擊韌性等。玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(AFRP)長期置于高堿性的環(huán)境也會被腐蝕。玻璃纖維(CFRP)耐酸、堿、鹽、干濕循環(huán)以及其他化學(xué)物質(zhì)的能力明顯優(yōu)于GFRP和AFRP;由于化學(xué)物質(zhì)和環(huán)境導(dǎo)致FRP材料腐蝕的程度主要取決于五點:浸潤樹脂的類型、化學(xué)物質(zhì)的類型、纖維所受的拉應(yīng)力大小、化學(xué)物質(zhì)的濃度、與化學(xué)物質(zhì)接觸的時間和溫度。高溫和潮氣、降雨和強烈的太陽輻射等對玻璃纖維(GFRP)的力學(xué)性能和電性能影響很大。

水和濕氣環(huán)境的GFRP中玻璃纖維的表面出現(xiàn)裂縫及其質(zhì)量有所下降的現(xiàn)象。在 350℃時,CFRP材料仍有其正常溫度下持荷能力的35%,抗拉彈性模量的40%,而AFRP則分別為15%和40%。在 FRP材料浸泡吸水后,并長時間暴露于 -18℃的低溫或暴露于凍溶循環(huán)的環(huán)境下,FRP材料的基體材料和纖維與基體間的粘結(jié)都會退化。其結(jié)果是FRP的強度下降,FRP筋材的彈性模量卻沒有變化。研究表明,當(dāng)GFRP吸水后,臨界溫度將下降。

2.6 FRP筋材的應(yīng)力腐蝕性能

應(yīng)力腐蝕破壞FRP筋的機理:FRP材料在化學(xué)介質(zhì)中受到應(yīng)力作用的條件下,當(dāng)侵蝕性介質(zhì)滲透到FRP筋材界面上粘結(jié)不良處或裂紋處時,將引起界面粘結(jié)力的削弱或破壞;在一定應(yīng)力水平下,界面發(fā)生脫粘、剝落等破壞現(xiàn)象的可能性增大,這些破壞為介質(zhì)進一步侵蝕開通了捷徑?；瘜W(xué)介質(zhì)的侵入導(dǎo)致 FRP筋中微裂紋的生成和擴展,還會引起大尺寸裂紋的擴展和傳播,介質(zhì)與FRP的纖維進行離子交換,離子交換使FRP筋材表面收縮而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、降低纖維的強度,在低于正常強度的應(yīng)力作用下,纖維就會斷裂。總之,FRP筋的破壞是侵蝕介質(zhì)和應(yīng)力禍合雙重作用的結(jié)果。侵蝕介質(zhì)降低FRP的力學(xué)性能,使其容易被應(yīng)力破壞。

國內(nèi)學(xué)者王書法等在應(yīng)力腐蝕對玻璃纖維的斷裂韌性和蠕變性能試驗研究中也指出,在應(yīng)力腐蝕下玻璃纖維的斷裂韌性、蠕變強度、蠕變極限和蠕變模量都降低。

3 FRP纖維筋應(yīng)用中存在的一些問題

1)錨固問題。由于碳筋橫向抗剪強度低,不能使用傳統(tǒng)的錨具,需研發(fā)專門的錨具。2)張拉問題。碳筋的彈性模量低于高強鋼筋,張拉時碳筋的伸長量大,容易造成張拉設(shè)備行程不夠。3)轉(zhuǎn)折角問題。碳筋橫向強度低,導(dǎo)致碳筋的抗折性能差,而且過大的轉(zhuǎn)折角還會降低材料的強度,容易發(fā)生徐變而引起材料失效。4)溫度影響。碳筋的溫度膨脹系數(shù)與混凝土存在著差別,有的甚至為負(fù)值,因此在計算預(yù)應(yīng)力損失、確定初始張拉力時需考慮溫度影響。5)老化問題。雖然碳筋耐腐蝕性好,但也存在著老化問題:當(dāng)碳筋受到水浸泡、紫外線照射、化學(xué)介質(zhì)等因素時,其強度會有不同程度地降低。6)防護措施。碳筋耐熱性差,當(dāng)溫度超過 60℃時碳筋的強度會有所降低,超過 120℃,強度會顯著降低。此外,碳筋容易由于人為破壞等外部影響而發(fā)生斷裂,因此碳筋在防火、防護措施等方面應(yīng)特別注意。

[1] 王榮國.復(fù)合材料概論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[2] 蔣詠秋.復(fù)合材料力學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1990.

[3] 趙渠森.先進復(fù)合材料手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[4] 梅葵花.CFRP在超大跨懸索橋和斜拉橋中的應(yīng)用前景[J].橋梁建設(shè),2002(2):35-36.

[5] 郭范波.碳纖維預(yù)應(yīng)力筋夾片式錨具的研究及開發(fā)[D].南京:東南大學(xué),2006.

[6] 呂國玉.碳纖維增強塑料預(yù)應(yīng)力筋錨具的設(shè)計研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2003.

[7] 大衛(wèi) R薩利姆.聚合物纖維結(jié)構(gòu)的形成[M].高緒珊,吳大誠,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:259-267.

[8] 張旺璽.聚丙烯腈基碳纖維[M].上海:東華大學(xué)出版社, 2005:5-10.

[9] 朱 虹.新型FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的研究[D].南京:東南大學(xué)土木工程學(xué)院,2004.

[10] 任大龍.CFRP筋體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁研究[D].南京:東南大學(xué)土木工程學(xué)院,2005.

[11] Odagiri T,Matsumoto K,NakaiH.Fatigue and Relaxation Characteristics of Continuous Aramid Fiber Reinforced Plastic Rods. In:Thrid International Symposium on Non-Metallic(FRP)Reinforcement for Concrete Structures.Japan,1997:227-234.

[12] Hiroshi Fukuyama.FRPComposites in Japan[J].Concrete International.ACI,1999,21(10):29-32.

[13] 陳遠洲.碳纖維增強塑料砼結(jié)構(gòu)設(shè)計原則研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

[14] 趙 彤.碳纖維布補強加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2001.

[15] 吳智深.FRP復(fù)合材料在基礎(chǔ)工程設(shè)施的增強和加固方面的現(xiàn)狀與發(fā)展[A].中國纖維增強塑料(FRP)混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會[C].2000:6.

[16] 岳清瑞.碳纖維材料(CFRP)加固修補混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[A].全國建筑物鑒定與加固第四屆學(xué)術(shù)交流會[C]. 1998.

[17] 岳清瑞.我國碳纖維增強塑料(CFRP)加固修復(fù)土木建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[A].中國首屆纖維增強塑料(FRP)混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會[C].2000.

[18] 劉春城.CFRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,6(3):21-23.

[19] 周立軍.碳纖維加固技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用[J].橋梁建設(shè),2003(sup):14-17.

[20] 李宏男.纖維增強復(fù)合材料在土木工程中的研究與應(yīng)用[A].第二屆全國土木工程用纖維增強復(fù)合材料(FRP)應(yīng)用技術(shù)[C].2002.

[21] 何 政.FRP筋及其配筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能與智能特性[A].第二屆全國土木工程用纖維增強復(fù)合材料(FRP)應(yīng)用技術(shù)[C].2002.

[22] 潘建伍.散斑干涉在纖維與混凝土粘結(jié)面位移場測量中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,33(3):17-18.

[23] 李 昕.置入光纖傳感器測定FRP殘余應(yīng)力的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2003,36(1):25-26.