纖維增強(qiáng)材料在土木工程之應(yīng)用

　　1、緒論

　　由于受到溫度、濕度、氯離子等侵蝕因素的影響，堿性混凝土逐漸中性化，導(dǎo)致鋼筋失去了保護(hù)，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的降低。目前，很多國家都在研究提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的方法。鋼筋銹蝕引起耐久性降低的問題是土木工程中普遍存在的主要問題之一。在美國所有混凝土結(jié)構(gòu)的破壞中，鋼筋銹蝕破壞可占到20ry0，即每5座鋼筋混凝土建筑物中，就有1座因為鋼筋銹蝕導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。工程結(jié)構(gòu)的大量損害會增加修補(bǔ)加固費用的投資，據(jù)統(tǒng)計歐洲一些國家每年用于修復(fù)由于鋼筋耐久性不足而損壞的構(gòu)件需要花費上十億英鎊。鋼筋腐蝕能造成嚴(yán)重的危害，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性問題進(jìn)行了深入研究，通過對鋼筋各種腐蝕過程的機(jī)理研究，努力尋找提高保護(hù)鋼筋的方法。研究方法從混凝上的宏觀結(jié)構(gòu)延伸到微觀結(jié)構(gòu)、破壞機(jī)理及防護(hù)措施等諸多方面。目前，防護(hù)方法的研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，如采用鋼筋阻銹劑、在鋼筋表面電鍍一種保護(hù)膜或采用環(huán)氧涂層鋼筋。人們從使用環(huán)氧樹脂作為鋼筋保護(hù)膜的方法中得到提示，開始研制纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是以纖維為增強(qiáng)材料的樹脂基復(fù)合材料，可分為纖維增強(qiáng)聚合物布、網(wǎng)、板、筋。纖維采用玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等高彈模人造纖維。聚合物采用環(huán)氧樹脂、聚醋或其他高強(qiáng)度高粘結(jié)性的樹脂。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最早于20世紀(jì)80年代由日本首先開發(fā)，近20年發(fā)展很快，其應(yīng)用可分為三類:一是獨立地建造輕型結(jié)構(gòu)，如過街天橋、具有特殊要求的建筑物;第二種是用于混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)加固，特別是梁、板的彎拉加固，梁、柱的抗剪加固以及柱子的抗震加固，具有施工簡便、避免噪聲和粉塵污染、不破壞結(jié)構(gòu)外形、不增加結(jié)構(gòu)自重的優(yōu)點;第三種是作為筋材和網(wǎng)材代替鋼筋，建造混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)混凝土結(jié)構(gòu)新體系。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料受到纖維性能、產(chǎn)品形式不同的影響，其應(yīng)用情況也各具特點，故進(jìn)行系統(tǒng)化研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍具有現(xiàn)實意義。

　　1.1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由增強(qiáng)材料和基體材料組成，高性能纖維為增強(qiáng)材料，合成樹脂為基體材料。纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度，是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的主要提供者，主要起承受荷載作用，分有機(jī)纖維和無機(jī)纖維兩種，有機(jī)纖維主要包括芳綸纖維、混雜纖維;無機(jī)纖維主要品種有玻璃纖維、石英玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等。基材有粘結(jié)、傳遞剪力的作用，其物理性質(zhì)可以影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理性質(zhì)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中常用的基材包括不飽和聚酷樹脂、乙烯基醋樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酞胺樹脂等。目前，工程中采用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要有玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鋼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料根據(jù)產(chǎn)品形式分為纖維增強(qiáng)聚合物筋，纖維增強(qiáng)聚合布、纖維增強(qiáng)聚合格柵等。根據(jù)連續(xù)纖維的類型、基體材料的性質(zhì)、所摻入輔助劑的性能、纖維含量和纖維的截面形式等因素確定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。

　　1.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般的物理力學(xué)性能

　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是各向異性材料。成分的不同物理性能差別可能很大，例如纖維的方向，當(dāng)纖維方向與復(fù)合體受力方向一致時，增強(qiáng)效果最佳;反之，當(dāng)纖維方向與復(fù)合體受力方向垂直時，增強(qiáng)效果最小。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與許多材料一樣，其力學(xué)性能與受載時間、受載情況、溫度和濕度等因素緊密相關(guān)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的密度都比較小，例如，鋼材的密度是7850k留m3，纖維增強(qiáng)聚合物筋材料密度是鋼材密度的1/7一1/5，在相同直徑下纖維增強(qiáng)聚合物筋質(zhì)量大大低于鋼筋，故其混凝土結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自重輕，需求量相同的情況下，纖維增強(qiáng)聚合物筋相比鋼材運(yùn)輸成本低。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是脆性材料，其抗拉強(qiáng)度很高，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性關(guān)系，在破壞前無任何實質(zhì)性的屈服變形。以纖維增強(qiáng)聚合物筋為例，纖維增強(qiáng)聚合物筋具有較高的比強(qiáng)度，能夠降低地震作用，施工強(qiáng)度降低，節(jié)約人力成本。纖維的種類、含量和樹脂種類等不同，會影響纖維增強(qiáng)聚合物筋的縱、橫向熱膨脹系數(shù);縱向熱膨脹系數(shù)一般受纖維控制，橫向熱膨脹系數(shù)由樹脂基體控制，通常橫向熱膨脹系數(shù)比縱向熱膨脹系數(shù)大。纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土構(gòu)件是一種復(fù)合構(gòu)件，在二者協(xié)同工作時，由于兩種材料在熱應(yīng)力下的性能相近，所以混凝土和纖維增強(qiáng)聚合物筋的產(chǎn)生的變形差較小。即當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力不會破壞纖維增強(qiáng)聚合物筋與混凝土的粘結(jié)，保證纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土構(gòu)件的安全性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體材料可以是熱固性樹脂或熱塑性樹脂。兩者的區(qū)別在于熱固性樹脂的分子結(jié)構(gòu)在受熱時會分解，因此這種樹脂制成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一次成型不能彎曲。而用熱塑性樹脂制成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以使用加熱、催化劑、加壓等方式來彎曲。基于樹脂基體的可塑性，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作成布狀，此產(chǎn)品應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)的修復(fù)。

　　2、纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的計算

　　衡量纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁正截面抗裂性能的主要指標(biāo)之一是抗裂度�？沽讯纫彩抢w維增強(qiáng)聚合物筋混凝土梁裂縫寬度、撓度及其預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件力學(xué)性能計算的主要參數(shù)。開裂是因為混凝土的極限拉應(yīng)變很小，在荷載作用下受拉區(qū)混凝土全部開裂，使構(gòu)件的剛度降低，變性增大。目前，國內(nèi)外對鋼筋混凝土梁正截面抗裂度的試驗研究有很多，理論和實踐應(yīng)用都趨于成熟，相關(guān)的計算方法、公式也己列入規(guī)范中。但是，纖維增強(qiáng)聚合物筋還屬于新型材料，對其性能的相關(guān)研究很少，大多還處于試驗研究階段。因此，本章進(jìn)行纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的研究。本章是基于62根玻璃纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁受彎性能的試驗研究[6，7]，得出了適合于纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土梁脆性破壞特征的受彎承載力的計算方法，對建立與我國現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)規(guī)范相銜接的纖維增強(qiáng)聚合筋混凝上梁受彎承載力的計算方法與計算公式具有一定的參考價值。本章在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了與鋼筋混凝土梁抗裂度計算公式相協(xié)調(diào)的纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁正截面抗裂度的計算方法，推導(dǎo)出相關(guān)的計算公式，在今后的相關(guān)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計領(lǐng)域里有一定參考價值。

　　3、纖維增強(qiáng)聚合物筋混凝土梁正截面承載力的計算方法.......15

　　3.1纖維增強(qiáng)聚合筋配筋率對極限承載力的影響................15

　　3.2極限承載力計算模型的建立......17

　　3.3單筋、雙筋矩形截面承載力基本計算公式......21

　　3.4本章小結(jié)........23

　　4、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料耐久性的研究....24

　　4.1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維材料的特性分析......24

　　4.2纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體材料的特性分析........26

　　4.2.1基體材料的基本組分及作用......26

　　4.2.2基體材料的性能分析......26

　　4.3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料腐蝕機(jī)理研究....27

　　4.4與鋼筋耐久性的對比....29

　　4.5本章小結(jié)........30

　　5、纖維增強(qiáng)聚合物筋在土木工程中的應(yīng)用研究........32

　　5.1纖維增強(qiáng)聚合物筋的組成和制備工藝........32

　　5.2纖維增強(qiáng)聚合物筋的力學(xué)性能........32

　　5.3纖維增強(qiáng)聚合物筋在土木工程中的應(yīng)用研究.....35

　　5.4本章小結(jié)......42

　　6、結(jié)論

　　近年來人們對工程項目的安全性要求越來越高，在某些特殊環(huán)境下，傳統(tǒng)的鋼材和砌塊已經(jīng)很難滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。本文在有限的試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究了混凝土梁正截面受力性能，通過對纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁正截面受力性能比較系統(tǒng)的研究得到了一些結(jié)論。本論文研究的主要成果為:

　　a)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為脆性材料，抗拉強(qiáng)度高，破壞時變形小，其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為線性關(guān)系。復(fù)合材料的力學(xué)性能與組成物的性質(zhì)、含量緊密相關(guān)，通常纖維的體積含量對整個材料的強(qiáng)度影響較大，表現(xiàn)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨纖維直徑的變化而變化。

　　b)纖維增強(qiáng)聚合筋配筋率對開裂彎矩的影響不大。當(dāng)截面開裂時，縱向纖維增強(qiáng)聚合筋所受的應(yīng)力很小，其混凝土梁的開裂彎矩的大小主要取決于混凝土抗拉強(qiáng)的大小。根據(jù)現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，深入的研究了纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁正截面受彎性能，建立了纖維增強(qiáng)聚合筋混凝土梁正截面抗裂度的計算公式。

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