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FRP复合材料土木工程应用与耐久性

作者:2016-05-11 19:11阅读:文章来源:论文代写
本文来自:论文网
FRP运用技术起源于上世纪八十年代末期,是一种性能良好的补强加固技术,该技术经二十余年的发展已日趋成熟,如今西方发达国家已将该技术广泛应用在建筑的加固实践中[1]。而在对建筑物质量要求越来越高的今天,FRP运用技术也必然会在我国得到不断普及。为提高我国建筑抗震性与耐久性,本文对FRP符合材料在土木工程中的应用与耐久性展开了较为深入的分析。 
  一.FRP的基本性质 
  FRP复合材料主要有碳素加筋形式(CFRP)、芳纶纤维加筋形式(AFRP)及玻璃纤维加筋形式(GFRP)等三种[2],材料表面根据与砼结合的需要,可做为光滑、网状或螺纹等形式,黏贴所用的专用胶,通常为双组分、高强度、触变性、无溶剂的粘合剂,在任何角度均可使用。常见的FRP力学性能见下表。 
  因FRP的特殊力学性能,使得其复合材料具有抗拉性能高、并有良好的抗腐蚀性与耐久性等特点,其热膨胀系数也和混凝土相近似,当周围环境的温度改变时,FRP和混凝土之间不会出现明显的温度应力。且其弹性模量也仅为普通钢的25%-65%,又因其质轻,柔韧性良好,可在空间狭小的区域操作,可包裹外形较为复杂的构建。 
  二.FRP在土木工程中的应用 
  现阶段FRP在土木工程中的应用越来越广泛,主要包括梁、墙、板及柱,以及面板抗震与补强加固等。 
  (一) FRP于桥梁中的应用 
  FRP在桥梁工程中,主要用于悬索桥或斜拉桥的缆索、混凝土桥的预应力筋,近年来也常见FRP在整个桥梁体系中的应用[3]。内填砼的纤维壳结构中,薄壳主要为纤维/环氧树脂通过预制而成,混粘土在现场浇筑,可使薄壳的结构更为稳定,其中的长向纤维具有良好抗弯性,而横向的抗剪纤维又对混凝土结构起到约束作用。这种纤维壳体结构对于梁、柱类结构都可广泛适用,并以此为基础开发出组合关体系及纤维壳梁板式桥梁体系,提高抗震,减轻自重,提高稳定性。美国以此研发了H型桥面结构体系,而单位则通过GFRP做桥塔与梁,通过螺栓连接,将其嵌至桥的砼基础之中。FRP索应用于桥梁中的梁及桥塔等型材,主要是通过拉挤法进行生产,见图2。 
  (二) 纤维混凝土 
  FRP材料中的短切纤维如芳纶纤维、剥离纤维、碳纤维及聚丙烯纤维等均可应用在混凝土中,以此提升混凝土抗拉强度及耐久性能等,为克服玻璃纤维在碱环境下强度会快速下降的缺陷,现已研发出耐碱玻璃纤维,且其成本较低,十分利于在我国现阶段工程中的推广。 
  (三) 补强加固 
  传统加固方法在某些特殊环境下的抗腐蚀及抗老化性能较差,而FRP材料具有高强度,且质轻,因此利用FRP进行加固,可在对原结构的影响较小的情况下,提高构建刚度,改善结构的受力性能,因质轻等性能,可在无需机具辅助的情况下,通过手工的方式缠绕于混凝土的表面,也无需进行焊接,施工方便,符合现代绿色施工理念,施工方便的同时,对原结构的力学性能几乎无影响,而纤维围裹还可防止混凝土结构碳化,提升耐久性。图3为几种常见FRP外粘补强加固方法。 
  (四) FRP在岩土工程中的应用 
  FRP材料在长时间的恶劣地质环境下仍能保持良好耐腐蚀性,因此被广泛应用在岩土工程之中,FRP材料易被掘进机具所切断,而采用钢锚则可导致挖掘机的机头处断裂,因此其可应用于混凝土钉、混凝土墙以及临床支护用的地锚之中,且GFRP材料价低,易于安装,耐久性能良好,特别利于在潮汐变化及干湿交替明显的挡土墙与地基锚杆以及喷射土筋等的工程推广。 
  (五)建筑工程 
  FRP材料现已广泛应用在新建结构框架之中,实现基于性能的结构设计。以瑞士某五层建筑为例,该建筑通过分离形式的玻璃纤维加强聚酯的标准结构构件所搭建,见图4。各构件之间通过双组分环氧树脂制胶所粘合,框架通过多层拼接,以类似木结构的方式实现。楼板梁则以粘合而成的箱形结构所构成,柱则为槽型截面,并置于楼板梁两侧,为避免柱子屈曲,通过I形构建的方式,插入并粘合于槽型构件之中。 
  三.FRP材料的耐久性研究 
  材料耐久性能指的是材料经物理或化学以及生物的作用下,即使历经较长时间也不易遭到破坏,也不会失去原有的性能。因它包含了多种性质,是一种包含抗冻、抗风、抗化学侵蚀、抗冲击、抗渗、耐疲劳、耐磨损及耐腐蚀等的综合性能。 
  国外相关研究于上世纪末利用碳纤维片与玻璃纤维片进行试验,通过温度循环与湿度环境暴露等方式处理后,CFRP的抗拉强度、极限应变以及弹性模量等参数不但未见降低,反而还因树脂固化使得以上指标增强。而GFRP的抗拉强度及弹性模量虽然没有降低,但其延性降低,且有脆化的改变趋势,于潮湿环境中,GFRP抗拉强度则显著降低。环氧树脂在试验中显示,经一定时间暴露,其抗拉度与弹性模量都会发生降低,分别为50%与37%。 
  另有相关国外研究于同时期对水分及湿气对CFRP的影响进行了研究,在试验中选择三种不同的CERP材料,其中两种为热固性的EP与EPmod,另一种材料基体为热塑性的PEEK,三种试验材料分别暴露于24℃、70℃及100℃的水池中,最终结果显示,当少量湿度浸入时反而可促进固化、提升断裂韧性,而不同的水温对于材料力学性能没有影响。国内相关研究也表明,在固化剂与环氧树脂中混入少量水,可促进树脂固化速率,强化固化强度、提升粘结强度及弯曲弹性模量等。
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