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时间：2013年5月29日
芳纶纤维布在混凝土结构加固中的应用

[摘　要]本文主要介绍了芳纶纤维AFRP复合材料,由于其轻质高强、高弹模、耐腐蚀性能好、不导电、抗冲击性能好等一系列优点,所以它在桥梁、隧道、地铁、海港码头以及工业与民用建筑等工程中有着非常广泛的应用,特别是在混凝土结构的加固与修复领域。
[关键词]芳纶纤维布　混凝土　结构加固　加固方法

Development and application of aramid fiber cloth in strengthening concrete structures

Abstract: This paper mainly introduces the aramid fiber AFRP composites, due to a series of advantages of high-strength, high elastic modulus, good corrosion resistance, not conductive, good shock resistance, so it is in bridge, tunnel, subway, port and industrial and civil construction engineering applications very wide, especially in the field of concrete structure repair and reinforcement.
Keyword：reinforcement method of aramid fiber reinforced concrete structure
1 引言
土木工程学科的发展,在很大程度上依赖于新材料和新技术的发展与应用。近年来，FRP 由于高强、耐腐蚀、自重小、施工方便等优点而被土木工程加固技术领域广泛使用。建筑结构工程中常用的FRP复合材料主要有芳纶纤维(AFRP),碳纤维(CFRP)和玻璃纤维(GFRP),其材料形式主要有片材、棒材和型材。所有的FRP都有一些共同的性质:轻质高强、高弹模、在拉断前均为弹性,热膨胀系数低、各向异性、耐腐蚀耐久性能好等,所以在建筑结构工程中应用潜力巨大。另外,FRP复合材料使用维护成本低、可以自由裁剪、节省材料、施工便捷,虽然其前期投资较大,但从长期投资的角度看效益明显较好。
2 材料的基本特性
芳纶纤维的主要成分是对苯二胺聚合物(PPTA),其中既含脂肪族主链又含芳香族主链,所以有牢固的分子结构;芳纶纤维是由直径为12um左右的单丝汇集在一起形成的多纤维状结构,芳纶布是芳纶纤维由单向或双向排列形成的一种片材,常用的是单向片材,它的力学性能指标主要如下表:
表1　芳纶纤维布(单向)的主要性能指标

规格
单位重量
幅宽
抗拉强度
弹性模量
保证强度
设计厚度
(g/m2)
(mm)
(Mpa)
(Gpa)
(KN/m)
(mm)
AFS-40
280
100，300，500
2060
118
400
0.193
AFS-60
415
100，300，500
2060
118
400
0.193
AFS-90
623
100，300，500
2060
118
400
0.193
AFS-120
830
100，300，500
2060
118
400
0.193
它除了具有所有的FRP复合材料的共同性质:轻质高强、高弹模、防腐蚀耐久性能好等还具有自己独特的特点,像抗碱腐蚀能力强、不导电、抗动载抗冲击性能好等;这就使它在海港码头工程,绝缘性要求高的场所如地铁、隧道及电气化铁路上工程中,抗疲劳要求高的地方和冲击大而频繁的构件中等应用非常广泛;另外,由于它是一种有机材料,所以同是有机材料的树脂在其中的浸透能力要比在其它FRP材料中的浸透能力强,芳纶纤维的固化时间是其它FRP材料的1/3-1/4,经济效益相应地就提高了,这有着其它FRP材料所不能比拟的优势。
3、芳纶布在结构加固工程中应用领域
我国使用芳纶纤维布进行加固的工程实例有很多,如广东省惠州西枝江大桥加固工程,哈尔滨东宁金厂大桥加固工程,山东济宁凤凰台战备大桥加固工程,深圳龙岗万佳百货牛腿加固工程,北京地铁复八线加固工程,济南黄河大桥加固工程等。
芳纶纤维布主要在以下结构构件加固中应用:
梁:主要是桥梁和民用建筑或工业产房,加固的方式包括抗弯和抗剪,在进行抗弯加固时,芳纶布的纤维方向与梁的轴向一致,一般贴在梁的受拉侧,以提高梁的抗拉承载能力,据有关试验得出,只要该梁不是超筋梁,贴一层AK-40可以提高承载30%左右,贴两层可以提高40%左右;在进行抗剪加固时,芳纶布的纤维方向与梁的轴向垂直。
柱子:芳纶布是一种理想的柱子加固材料,首先,因为芳纶的弹模是118Gpa,相对于碳纤维(弹模230Gpa),所以它的延性较好;其次,在进行棱角打磨时只需要打磨到倒角半径10mm左右即可,一般不需打磨,而使用碳纤维加固时则需要打磨到倒角半径30mm左右,这样芳纶就可以节约很多工时,最后,由于芳纶布是一种柔软的布,所以追随性很好,特别是对于形状不规则的承台,芳纶布更是一种理想的加固材料。
板:板的加固一般对于净空的要求比较高,而且加固后要不影响其外观,所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种非常理想的选择。
烟囱、水塔:像烟囱、水塔这样向高空发展的结构,加固起来特别困难,传统的方法基本上很难解决这样的问题,而轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的芳纶纤维就是一种很好的选择。
地铁隧道:由于地铁和隧道是一种在地下工作的结构,所以它的受力与地面结构是不一样的,在洞顶和洞测都有土压力的作用,而且它也有净空的要求,所以在进行裂缝修补时,使用传统的加固方法可能性很小,用芳纶布进行加固就可以满足它的各方面要求,因为在地铁隧道的拱定或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的,这就要求它的修复材料必须具有良好的抗剪性能才行;芳纶布抗剪能力比较强,而且芳纶还是一种不导电的FRP材料,所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。
4、芳纶纤维的应用特性
不导电性:在现代的工程中,如地铁、隧道、电气化铁路以及工业厂房等等,都对绝缘性要求很高,在这些工程的加固补强中,芳纶纤维有着绝对优势,也给这些领域提供了一个最佳的选择机会。
耐腐蚀性好:特别是耐强碱腐蚀,这点是其他FRP复合材料不能相比的,由于海水对混凝土结构有很强的腐蚀性,主要是因为里面含氯离子较多的缘故,导致混凝土碳化,钢筋锈蚀膨胀,所以在一些海港码头工程的加固及防护中,芳纶纤维布加固是最佳的选择。
抗冲击性:由于芳纶纤维的弹模是118Gpa,延性特别好,它的延伸率为1.8%,所以刚开始时它在国外是用作军工产品的,如防弹衣等。用它加固一些对冲击性要求很严的结构,如主航道
的桥墩等比较合适。
抗动载抗疲劳性能好:虽然碳纤维的抗拉强度非常高,但由于它是一种脆性材料,只能承受长期的静荷载,如果长期承受动载,就不能保证它的强度了;芳纶纤维则不受这个限制,由于其韧性比较好,所以相应的其抗疲劳能力就为了保证首批砼顺利落下,用水泥袋装些砼,做阻导管顶漏斗口的球阀,用铁丝扎好水泥袋,栓在漏斗顶的挂钩上,砂浆袋外抹一些黄油,砼装满漏斗时,剪断铁丝,砼顺利滑下,同时继续泵入砼。
5、各种加固方法的比较
贴钢板:在用钢板加固时,一般将钢板贴在被加固的桥梁结构受力部位的外边缘,同时封闭粘贴部位的裂缝和缺陷,约束混凝土的变形;但是,采用这种方法加固必须注意几点:首先,对钢板的尺寸要求很严格,抗弯时宜薄点,以保证它和原结构的变形协调,抗剪时则宜厚点,而且在锚固时应使端部钢板延伸到应力较小区,防止应力集中对结构承载力的损害;其次,贴完后,必须对钢板边缘裂缝的进行处理;最后,还要对钢板进行防腐处理,这也是一项长期的任务,所以综合起来造价相当高;而且,它的使用范围还有一定的局限性,一般只用在刚度要求很严格的地方。
扩大截面法:这种加固方法的原理在于通过增大受力面积来提高结构的承载力,这种方法一般都用在一些很小而且对净空没多少要求的结构中,优点是成本较低,缺点是增加原结构的
自重同时净空减小了,工期长,有很大的局限性,在目前,现在较大的工程都不会用它。
碳纤维布加固:在目前的FRP材料加固市场中,碳纤维占的比例最多,种类也很多,进口的和国产的都有,常用的规格一般为0.11mm的和0.167mm两种,它的作用机理和我们的芳纶
纤维以及其它FRP复合材料基本是一致的,利用其轻质高强、高弹模、耐腐蚀耐久性能好等优势对结构进行加固,虽然它能承受很大的静载,但由于碳纤维是一种易发生脆性破坏的材料,所以如果经常承受动载或冲击,就不能保证它的强度的发挥了;而芳纶纤维的极限破坏形式为塑性破坏;另外,碳纤维还是一种导电的材料,所以在绝缘性要求很高的电气化铁路、地铁及隧道工程中也不宜用它,而同为高强高弹模的芳纶纤维就不存在这样的局限了,而且还是它的优势所在;芳纶纤维布在抗剪方面也有很大的优势,在裁剪时就必须用专门的陶瓷剪刀,在加固墩柱时一般也是利用芳纶优异的抗剪性能。
6、结论
随着我国国民经济的飞速发展,现在及今后相当长的一段时期,各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固方法主要有纤维布复合材料加固、粘钢板、体外预应力扩大截面等方法,而芳纶纤维复合材料具有鲜明的特点,并且价位也不高,性价比具有明显的优势,相信会越来越广泛地被大家关注,也会逐渐成为我们结构加固中应用最常见的新技术。

参考文献

[1] 桥梁结构用芳纶纤维复合材料.JT/T531——2004
[2] 何军拥,姚立宁.碳纤维混凝土的特征及应用探讨.新型建筑材料
[3] 芳纶纤维复合材料加固钢筋混凝土结构设计施工手册.深圳海川公司
[4] 汪胜义.碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用.公路.2004.10