芳綸纖維布在混凝土結構中的應用與發(fā)展

摘要：文章對芳綸纖維布補強加固技術在混凝土結構中的應用進行了分類與歸納，對其應用前景進行了展望；同時簡要介紹了日本、美國、歐洲和中國芳綸纖維復合材料加固補強技術規(guī)范與標準，最后指出：隨著中國加入WTO和建筑市場的逐步開放，我國迫切需要建立符合中國國情的有關芳綸纖維復合材料加固補強技術的設計和施工規(guī)范與標準。關鍵詞：芳綸纖維布；規(guī)范與標準；加固補強；設計和施工0 引言大批已有建筑物由于種種原因，諸如自然災害作用、環(huán)境侵蝕、荷載增加、結構用途改變、更新設計標準和提高結構可靠度等，存在承載力和耐久性不足或使用功能不滿足要求。為了改善這些結構的使用功能，提高承載力，延長使用年限，考慮環(huán)境保護和經(jīng)濟效益等綜合因素，在許多情況下進行加固修復比重建更合理，特別是在使用快速、高效、簡便的加固工藝的情況下，更具有優(yōu)越性；因此工程技術人員把目光更多地投向采用新型復合材料維修加固上來。與傳統(tǒng)的加固修補技術相比，纖維材料加固修補技術具有明顯的技術優(yōu)勢。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高效高強。具有良好的耐久性和耐腐蝕性。適用面廣。芳綸纖維加固修補技術可廣泛應用于各種結構類型，各種結構形狀，各種結構部位的加固修補，而且不改變結構形狀，不影響結構的外觀。尤其重要的是，對于一些大型的土木工程結構，如大型橋梁的橋墩、橋梁及橋面板、隧道、大型簡體及殼體結構等，采用原有的傳統(tǒng)加固方法幾乎無法實施，而采用該技術都可以很順利的解決。施工便捷。施工工效高，沒有濕作業(yè)，不需要大型施工機具，無需現(xiàn)場固定設施，施工占用場地少。施工質(zhì)量容易保證。對結構無額外的負擔。纖維材料質(zhì)量輕而且很薄，加固修補后，基本不增加原結構自重和原構件尺寸。芳綸纖維復合材料作為纖維增強塑料的一種，除了具有上述優(yōu)點外，還具有獨有的特點：具有良好的抗沖擊和耐疲勞性能，良好的介電性等，因此人們越來越多地采用外粘芳綸布補強加固結構。目前應用于結構補強的外粘芳綸纖維布有養(yǎng)護的纖維條帶和未經(jīng)養(yǎng)護的纖維布，經(jīng)養(yǎng)護的纖維條帶通常0．5 ~1．5mm厚，50~200mm寬，由單向纖維經(jīng)環(huán)氧基樹脂浸漬而成。未經(jīng)養(yǎng)護纖維布的名義厚度通常小于lmm，由單向或雙向纖維絲構成，采用高性能的環(huán)氧粘結劑粘結在構件外表面。1 外粘芳綸纖維布補強加固混凝土結構外粘芳綸纖維布首先應用于鋼筋混凝土橋的抗彎補強和約束鋼筋混凝土柱中，此后外粘芳綸布補強加固技術迅速擴展到砌件結構，木結構乃至金屬結構。1．1 結構補強性能與特點1．1．1 抗彎補強當混凝土結構構件不能提供足夠的抗彎強度和使用性能時，必須進行加固，此時可選用外粘芳綸纖維布進行補強加固。在梁、柱、板的受拉面粘貼芳綸纖維布，同時使芳綸纖維絲方向與主拉應力方向平行，可明顯提高梁、柱、板的受彎承載力，并且同時使梁、柱、板裂縫開展受到約束，從而提高構件的抗彎剛度，降低撓度。對芳綸纖維布補強加固混凝土構件進行分析設計的中心環(huán)節(jié)是確定構件的失效模式。芳綸纖維布抗彎補強混凝土結構存在下述幾種失效模式：縱筋屈服芳綸纖維斷裂；縱筋屈服混凝土壓碎；混凝土壓碎；由于混凝土的剪切失效，芳綸纖維片材端部剝離；由于混凝土的剪切斜裂縫造成芳綸纖維片材的剝離；由于粘結界面的拉應力很高，發(fā)生的芳綸纖維片材端部或彎曲裂縫處剝離；由于混凝土表面不平和粘結不當造成的芳綸纖維片材從混凝土粘結面剝離。上述破壞模式是令人最為滿意的破壞模式，模式和可通過抗剪補強加以防止，模式可通過限制芳綸纖維布的拉應變加以抑制，模式可通過施工質(zhì)量控制加以解決。設計中不考慮芳綸纖維布與混凝土之間的相對滑移。1．1．2 抗剪補強在梁、柱的剪壓區(qū)段內(nèi)橫向包裹芳綸纖維布可抑制斜裂縫出現(xiàn)或開展，明顯提高構件的抗剪強度，提高梁、柱的剛度、延性和抗震耗能能力。芳綸纖維布加固后的試件最大承載力均發(fā)生在芳綸纖維布剝離后、拉斷前，在此過程中，芳綸纖維布承擔的剪力不斷增大，使總剪力仍然保持在較高的水平，改善了構件變形能力。芳綸纖維布加固量越大，試件延性越好。采用芳綸纖維布加固混凝土柱，可防止斜裂縫出現(xiàn)或限制斜裂縫開展，顯著提高柱的受剪承載力，實現(xiàn)強剪弱彎的抗震要求，同時芳綸纖維布對提高高軸壓比試件延性的作用更加明顯。包裹方式分為間隔包裹、連續(xù)包裹；封閉包裹、非封閉包裹；采用夾具錨固包裹和非夾具錨固包裹等。芳綸纖維布對抗剪強度的貢獻取決于破壞模式。當發(fā)生芳綸纖維布剝離破壞時，其有效應變遠低于極限拉應變；即使發(fā)生芳綸纖維布斷裂破壞，其有效應變也低于極限拉應變。因為不論何種破壞模式，均有局部發(fā)生剝離破壞，因此精確地計算芳綸纖維布對抗剪強度的貢獻非常困難，故確定芳綸纖維布的有效應變是進行抗剪強度計算的關鍵環(huán)節(jié)。對于芳綸纖維布補強矩形截面混凝土構件，其有效應變隨混凝土抗拉強度的減小和纖維布軸向剛度的增大而減?。划敺季]纖維布的纖維絲方向垂直于鋼筋混凝土構件的軸線方向時，由于斜裂縫擴展導致骨料間咬合力降低，從而使混凝土對構件抗剪強度的貢獻隨之減小，因此芳綸纖維布的有效應變應限制在0．004~ 0．005的水平。對于芳綸纖維布抗剪補強圓形截面混凝土柱，其有效應變可近似取0．004。1．1．3 約束混凝土和約束高強混凝土混凝土是目前土木工程中應用最廣的建筑材料之一，它主要的特點是抗壓強度高，脆性大，而且混凝土強度越高，其脆性越大，但在三向受壓的復雜應力作用下其強度、變形性能均有很大的提高。混凝土在軸向荷載作用下，歷經(jīng)微裂縫形成、發(fā)展、擴大，橫向變形加大，進而形成較大的宏觀裂縫，宏觀裂縫繼續(xù)發(fā)展以至于混凝土破壞全過程。在整個過程中，混凝土泊松比最大為50%。因而，通過約束限制混凝土橫向變形的發(fā)展是增強混凝土強度與延性的一種有效途徑，這完全可以通過在混凝土構件外包裹芳綸纖維布來實現(xiàn)。當混凝土構件軸心受力時，其橫向應變發(fā)展受到外包芳綸纖維布的限制。正是由于核心混凝土與外包約束層在受力過程中的這種相互作用，使混凝土材料本身性質(zhì)發(fā)生了變化，即強度得以提高，塑性和韌性性能得以改善。芳綸纖維布約束混凝土作用要好于碳纖維布約束混凝土。芳綸纖維一個顯著優(yōu)于碳纖維的特點是其破壞為非脆性，破壞前出現(xiàn)頸縮，征兆明顯；同時高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作，這些性能使芳綸纖維在遭受強烈沖擊時能有效的吸收軸向應變能和縱向動能，因此，在地震荷載或沖擊荷載作用下芳綸纖維布約束混凝土特別是約束高強混凝土的延性及韌性要明顯高于碳纖維布約束混凝土特別是約束高強混凝土的延性及韌性。因此，芳綸纖維復合材料在對構件韌性和延性要求高的抗震結構、抗沖擊和耐疲勞方面要求高的工程結構的應用比碳纖維復合材料有較大的優(yōu)越性。用芳綸纖維布橫向包裹鋼筋混凝土短柱來提高其延性，芳綸纖維布的主要作用體現(xiàn)在兩個方面：一方面，芳綸纖維布的作用類似于受剪箍筋，在斜裂縫出現(xiàn)后協(xié)助箍筋承受剪力；由于芳綸纖維的抗拉強度遠大于箍筋的抗拉強度，所以這種作用十分明顯。鋼筋混凝土短柱用芳綸纖維布包裹后，相當于增加了配箍率，使其抗剪承載力得以提高，從而有可能使試驗柱在外荷載作用下發(fā)生具有一定延性的正截面受彎破壞，而非脆性的斜截面受剪破壞，破壞形態(tài)的變化直接決定了構件變形性能的改善。另一方面，受壓區(qū)混凝土的破碎，充分發(fā)揮了縱向鋼筋的塑性變形性能，顯著改善了構件的延性。芳綸纖維布的第二種作用只有在構件發(fā)生具有彎曲破壞特點的破壞形態(tài)時，才會處于主導地位。鋼筋混凝土短柱變形性能的改善，關鍵在于破壞形態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，芳綸纖維布通過協(xié)助箍筋共同承受剪力來提高構件變形能力是其主要作用。1．2 應用前景國內(nèi)外已應用外貼芳綸纖維布對橋梁、道路、隧道、建筑物或構筑物等多種混凝土結構構件進行了補強加固。1．2．1 可用于惡劣環(huán)境下混凝土工程由于芳綸纖維具有極佳的耐腐蝕性及耐久性能，具有優(yōu)良的耐熱化學性，能耐大多高濃的無機酸，耐堿稍差些，對其他化學試劑，有機溶劑十分穩(wěn)定。實驗表明，用芳綸纖維布加固修補混凝土結構有良好的耐腐蝕性及耐久性，可以抗拒建筑物經(jīng)常遇到的各種酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。使用該種加固修補方法對結構進行處理后，節(jié)省大筆維修費用，而且其本身可以起到對內(nèi)部混凝土結構的保護作用，達到雙重加固修補的目的。因此可利用芳綸纖維布加固各類防護工程，如潛艇基地、濕度較大的隧道、坑道工程，其構件抵抗腐蝕的能力將會顯著提高，使構件具有良好的耐久性能，且粘貼芳綸纖維布的膠有一定的防水能力。海洋結構和近海結構的腐蝕問題一直比較突出，對于鋼結構更是如此，因而采用抗腐蝕性能良好的芳綸纖維可以很好地解決該問題，所以芳綸被應用于海洋結構和近海結構具有很好的發(fā)展前景。1．2．2 可用于防火工程芳綸纖維布一個重要的優(yōu)異特性是長久熱穩(wěn)定性，它可在220℃高溫下使用l0年以上，其使用壽命高于一切工業(yè)有機纖維。在260℃條件下，加熱1 000h，芳綸纖維布的機械強度仍能保持原來的65%～ 70%，在火焰中難以自燃，即使點燃后移開火焰也會自熄；并且芳綸材料吸收沖擊波效率高、隔爆性能好。同時毒性試驗也表明：芳綸不會對生產(chǎn)者和使用者造成明顯的健康危害，芳綸在溫度高達400℃時仍無CO、CO2和HCN等有毒氣體產(chǎn)生，在800℃時才可測得1% 的HCN、13%CO和15%CO2產(chǎn)生。芳綸纖維布加固混凝土結構后，高溫條件下，表面芳綸纖維布覆蓋層的力學性能幾乎沒有改變。這從一定程度上提高了結構整體的防火能力。由芳綸纖維布優(yōu)良的耐高溫性能可見，它更適合用于對結構有特殊耐高溫要求的工業(yè)車間，如煉鋼廠，玻璃生產(chǎn)廠房，以及各種高溫廠房。1．2．3 可用于防撞設施和軍事工程芳綸纖維的抗沖擊和耐疲勞性能要大大優(yōu)于碳纖維。芳綸纖維的抗沖擊性能應歸功于它優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高結晶性、高取向及高拉伸性能。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使芳綸纖維在強烈沖擊所產(chǎn)生的高溫下，仍能保證受沖擊結構的穩(wěn)定性；高結晶、高取向性產(chǎn)生了高模量，保證了高的波動速率及對軸向變形的快速反應；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作，這些性能使芳綸纖維在遭受強烈沖擊時能有效的吸收軸向應變能和縱向動能；芳綸纖維另一個顯著優(yōu)于碳纖維的特點是其破壞為非脆性，破壞前出現(xiàn)頸縮、因此有明顯征兆。因此，芳綸纖維復合材料在對構件韌性和延性要求高的抗震結構、抗沖擊和耐疲勞方面要求高的工程結構的應用比碳纖維復合材料有較大的優(yōu)越性。對于在通航河流中建造的橋墩，設計時要考慮船只撞擊這種偶然荷載，有時洪水也可能攜帶大量的漂浮物對橋墩造成撞擊；對于城市立交橋，由于橋下一般有車輛通過，但受凈空限制，很多立交橋會限制一些車輛的通過。這也經(jīng)常會出現(xiàn)超高車輛對橋梁造成碰撞，導致梁變形、損壞；此外，對各類防護工程，如潛艇基地、濕度較大的隧道、坑道工程等，芳綸纖維布極其優(yōu)良的抗沖擊性能，非常適合對這些有防撞要求的結構進行加固、形成防護，使構件不至于立即破壞，減少不必要的損失。而在軍事工程、防爆工程等方面，芳綸纖維布約束混凝土也可綜合發(fā)揮其抗沖擊性能好及高強混凝土強度高的特點，具有很大的應用潛力。2 規(guī)范和標準從上世紀80年代起，一些發(fā)達國家開始制定土木工程用芳綸復合材料的規(guī)范與標準。下面簡要地介紹一下日本、美國、歐洲和中國有關芳綸復合材料的規(guī)范和標準。這些規(guī)范和標準既適用于芳綸復合材料對舊有結構進行加固修復，又適用于新建結構。2．1 日本從上世紀80年代起，日本投入大量的人力、物力和財力，加緊制定外貼芳綸纖維布補強混凝土結構設計與施工指南。1995年Hyogoken—Nanbu地震后，對于鋼筋混凝土橋墩和鋼筋混凝土柱越來越多地采用外粘碳纖維布進行抗震補強加固，同時采用芳綸纖維布進行補強加固技術也獲得了發(fā)展。針對芳綸纖維布補強加固公路橋墩和鐵路高架橋柱的設計指南有：采用芳綸纖維布補強鋼筋混凝土橋墩設計和施工指南；應用芳綸纖維布抗震補強鐵路高架橋柱設計與施工指南。 DCGRCAFRP和DCGRVCAFRP兩個標準包括芳綸纖維布對抗剪強度和延性貢獻的計算公式。對于房屋建筑中的柱子和地鐵中的大柱以及橋面板的設計與施工也制定了類似的標準。日本混凝土協(xié)會發(fā)展了纖維片材的標準試驗方法，該標準試驗方法包括纖維片材的抗拉性能實驗測定以及粘結強度實驗測定。2．2 美國美國對于纖維增強混凝土結構進行了長期連續(xù)的研究。從上世紀80年代開始，由于美國國家科學基金和聯(lián)邦公路管理委員會的資助，加速了對該領域的研究與開發(fā)。1991年美國混凝土協(xié)會創(chuàng)建了440委員會，即纖維增強塑料加固委員會，該委員會于1996年出版了纖維增強塑料補強混凝土結構發(fā)展水平報告。此后，ACI 440委員會推出了新標準，2001年獲得了技術活動委員會批準，該標準包括：外粘纖維增強塑料系統(tǒng)補強混凝土結構設計與施工指南；混凝土結構的纖維增強塑料耐久性。上述規(guī)范與標準中的纖維增強塑料通常包括：碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維增強塑料。2．3 歐洲歐洲從20世紀60年代開始進行關于纖維增強塑料應用的研究。1993年建立了歐洲合作研究計劃，該計劃于1997年結束，旨在研究纖維增強塑料增強混凝土結構，參與者包括英國、瑞士、法國、挪威和荷蘭。國際混凝土結構聯(lián)盟93工作組，即纖維增強塑料增強混凝土結構工作組于1993年成立。93工作組又分成如下幾個小組：材料測試小組，纖維筋混凝土小組，預應力纖維筋混凝土小組，外粘纖維增強塑料小組，市場營銷和應用小組。該工作組由從事纖維增強塑料補強混凝土結構研究的大學，研究院和公司構成，目前已完成了纖維增強塑料增強鋼筋混凝土結構設計指南發(fā)展公告。在英國，結構工程師協(xié)會出版了關于纖維增強塑料補強鋼筋混凝土結構臨時設計指南，該指南沒有介紹纖維增強塑料預應力混凝土結構和外包纖維增強塑料增強混凝土結構，同時該指南以英國相應的設計規(guī)范為基礎，采用的設計方法與日本、美國的標準類似。2．4 中國從上世紀90年代中期起，我國開始著手進行FRP補強加固技術的研究。國內(nèi)許多實力較強的科研院所和大學紛紛開展碳纖維布補強加固混凝土結構、砌體結構的研究，并取得了多項研究成果。在短短的幾年時間里，制定并頒布了外貼碳纖維布補強加固混凝土結構的技術標準。然而對芳綸纖維復合材料補強加固技術的研究，目前尚處于起步階段，積累的實驗數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗較少，因此編制芳綸復合材料增強結構構件規(guī)范與標準的條件還不完備，北京交通大學對已出版的中、美、日芳淪復合材料加固混凝土結構相關標準進行了研究，指出我國標準存在的問題，所以我國應加緊制定符合國情的有關芳綸復合材料加固補強技術的設計和施工規(guī)范與標準。3 結束語芳綸纖維復合材料在土木建筑領域的應用是一個全新的技術。與傳統(tǒng)的加固修補技術相比，外粘芳綸纖維布加固修補技術具有明顯的技術優(yōu)勢。本文回顧了外粘芳綸纖維布補強加固技術的發(fā)展歷程，對芳綸纖維布在工程中的應用進行了歸納與分類，進一步介紹了日本、美國、歐洲和中國有關芳綸纖維復合材料加固補強技術規(guī)范與標準。盡管目前在土木建筑領域中應用芳綸纖維材料價格較高，但綜合材料成本、施工成本、使用成本，是可行的，而且在施工完成后防腐性、輕量化方面，纖維增強材料更好；因此，對此項技術的研究開發(fā)具有重要的工程應用價值。隨著對芳綸纖維復合材料研究的逐步深入，產(chǎn)量的增加和成本下降，其在土木工程領域必將有廣泛的應用前景。外貼芳綸纖維布補強加固混凝土技術引起了人們越來越廣泛的關注，然而該項技術還存在下述問題需要進一步解決。芳綸纖維布體系防火方法；高溫時芳綸纖維布補強混凝土構件的性能；低溫下芳綸纖維布補強混凝土構件的性能；芳綸纖維布和構件層間熱膨脹偏差系數(shù)；芳綸纖維布徐變行為和耐久性能；惡劣環(huán)境下芳綸纖維布的強度和剛度；混凝土強度對芳綸纖維布補強構件性能的影響；芳綸纖維布抗彎、抗剪補強混凝土構件的長期性能；混凝土對芳綸纖維布補強構件抗剪強度的貢獻；芳綸纖維布的有效應變；錨固性能，如：粘結特性和粘結強度；粘結徐變破壞和耐久性；粘結的疲勞特性、熱膨脹系數(shù)、抗剪強度和抗壓強度等。