土木工程结构加固
发布日期：2013-07-22 15:11:58 浏览量：1558
1、前言
高性能纤维增强塑料（advanced fiber reinforced plastics ,FRP）因具有比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定及特殊的电磁功能等特点，是航空、航天、军用武器装备等首选材料之一，随着社会经济形势的变化及先进复合材料的高速发展，高性能纤维增强塑料已从尖端领域的应用扩展到一般工业领域，尤其是日本阪神大地震之后，高性能纤维片材作为土木工程结构加固和修补用材料， 在美国、日本及欧洲都得到了广泛地应用。与传统的土木工程结构加固和补强方法相比，高性能纤维片材具有如下优点；轻质，高强，材料可设计，耐疲劳，抗腐蚀，施工简洁、方便，综合成本低等特点，高性能纤维片材在土木工程结构领域的研究和应用，开辟了一条高效、方便、经济加固土木工程结构的新途径。在中国，自90年代末开展碳纤维片材加固混凝土结构的工程应用研究以来，尤其是《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》颁布以来，碳纤维片材在加固领域的应用迅猛上升， 2004年全年用量已达到80余万平方米。但是，由于碳纤维属于军用敏感物资，全球仅有日本、美国等少数几家公司能提供商品化生产，易被垄断。最近几年由于多方原因，产品供不应求，价格急剧上升，这导致工程成本大幅上升。目前在日本及欧美等国，玻璃纤维片材在某些领域亦等到较广泛的应用，利用我国玻璃纤维的优势，开发低成本的、适合土木工程结构加固要求的玻璃纤维纤维片材理应成为当务之急。
2、玻璃纤维的性能及比较
先进复合材料的主要增强材料包括碳纤维、玻璃纤维，芳纶纤维等三大类。高性能纤维的性能指标见表1。
玻璃纤维是由玻璃经熔融拉丝制成，主要分为E玻璃纤维、S玻璃纤维、A玻璃纤维、C玻璃纤维等。E玻璃纤维含碱量（K、Na）低于1%，具有较大的强度、刚度、延展性，绝缘性、耐热性、耐湿性优越，价格便宜；S玻璃纤维比E玻璃纤维具有较大的强度、刚度、耐热性、耐湿性和耐疲劳性，价格也较高，但比碳纤维及芳纶纤维价格低， S玻璃纤维国产牌号为HS2、HS4，主要用于航空、航天、军用武器装备及压缩天然气气瓶等。A玻璃纤维、C玻璃纤维含碱量（K、Na）较高，强度也较低，尤其在湿态环境下强度下降较多，不适于结构加固。玻璃纤维与碳纤维相比，最大的弱点是刚度不够高，耐腐蚀较差，尤其是耐碱性较差，这在相当程度上限制了其在土木工程结构加固领域的推广应用。近几年，国内外新开发出了耐化学腐蚀性更好的ECR玻璃纤维，ECR纤维与E玻璃纤维的耐化学腐蚀性如表2所示。
表1。高性能纤维性能
纤维种类 直径
μm 密度
g/cm3 拉伸强度GPa 拉伸模量GPa 断裂伸长% 热膨胀系数
10-5K-I 热传导系数Mw*cm-1*K-1 回潮率%
纵向 横向 纵向 横向
玻璃纤维 S型 7 2.50 4.6 90 4.0 0.56 — — — —
E型 21 2.54 3.1 74 4.4 0.49 0.49 11 — —
ECR型 21 2.54 3.9 80 4.9 0.49 0.49
碳纤维 HS 7 1.76 5.5 294 1.9 -0.03 1.0 240 — —
HM 7 1.76 3.9 588 0.7 -0.07 1.0 1015 — —
芳纶纤维 LM 7 1.44 2.8 62 3.6 — — — 4.5
HM 12 1.44 2.8 124 2.8 -0.6 5.9 32 4.5
KM2 1.44 3.1 58 4.0
表2。ECR玻璃纤维与E玻璃纤维耐化学腐蚀性对比
样品 失重
10%H2SO4,24hr 10%HCL, 24hr 0.1N NaOH, 24hr
E玻璃纤维 17.85% 22.30% 0.46%
ECR玻璃纤维 0.21% 0.21% 0.27%
由表2。可知，ECR玻璃纤维的耐化学腐蚀性能比传统的E玻璃纤维有了很大的提高，同时，与碳纤维相比，其延性较好，价格便宜，且电绝缘，尤其玻璃纤维复合材料的热膨胀系数与混凝土接近，在复合材料与混凝土界面处因冷热交变而导致的应力小，因此其在混凝土结构加固领域具有较大的应用潜力。
3、 玻璃纤维片材的制备工艺及特点
土木工程结构加固用高性能纤维片材根据制备工艺可分为三类：机织织物、非织造织物及缝编织物。由于玻璃纤维的拉伸模量比较低，因此片材的厚度应比碳纤维片材厚。如采用非织造织物即网格支撑工艺制备，所制片材易松散，难以满足现场施工要求；而采用缝编织物工艺，则需被衬薄毡，这将大大增加施工用胶量，增大施工成本。因此采用机织工艺，采用单向稀纬平纹织物结构，并通过化学等方法将纵向纤维定型。该织物特点是经向纤维含量大于97%，纬纱稀细，经纱无变形，并且经纱经扁平化处理，利于浸胶，同时在织物结构最有效的部位均匀地附着粘接剂，织物不变形，结构稳定，易裁剪，便于施工,在每束纤维之间存在缝隙，利于气泡的排除，最终复合材料性能气泡率低，材料性能好。同时所采用的ECR纤维的单丝直径为23μm，与低直径的纤维相比，浸透性更好。我们所研制的G430E、G900E玻璃纤维片材的性能指标及国内外同类产品的性能指标如表3。
虽然玻璃纤维片材的厚度增加，其用胶量加大，但其综合材料成本（含胶）（在承担相同的加固荷载下）为200克碳纤维的三分之二，为高强度玻璃纤维的二分之一。
表3。玻璃纤维片材的性能指标
牌号 TYFO
SHE-51 SGFW
-430 LICA
G900E LICA
G430E
纤维类型 E玻纤 HS2玻纤 ECR玻纤 ECR玻纤
纤维密度g/cm3 2.54 2.53 2.54 2.54
纤维单位重量g/m2 913 430 900 430
名义厚度mm 0.365 0.169 0.355 0.169
抗拉强度MPa 平均值 2020 2600 1700 1800
标准值 1500 2000 1500 1500
拉伸模量GPa 72 90 80 80
断裂伸长% ＞1.8 ＞2.0 ＞1.8 ＞1.8
4 玻璃纤维片材的耐久性研究
研究了E型玻璃纤维片材（含浸树脂）的老化性能，结果如表4。所示。
表4。玻璃纤维片材的老化性能
样品 耐水性能
自来水
23℃，30天 冻融实验
-17±2℃和
8±2℃
3小时/次
循环次数 100 湿热老化试验
温度 38℃，
湿度98%，
时间1000小时 碱环境
25±2℃
饱和氢氧化钙溶液（PH14）
30天
CFRP 抗拉强度 无明显变化 下降8% 无明显变化 无明显变化
拉伸模量 无明显变化
极限应变 下降10%
GFRP 抗拉强度 下降10% 下降13% 下降20% 下降30%
拉伸模量 无明显变化 无明显变化 下降12% 下降12%
极限应变 下降8% 下降13% 下降10% 下降8%
参照表2的数据，ECR玻璃纤维片材的耐老化性能指标应该强于E玻璃纤维片材。
美国ACI440在制定FRP系统加固混凝土结构指南时，针对不同环境对材料性能的影响，给出了相因的影响因子，如表5所示。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130722151224.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
高性能纤维增强塑料（advanced fiber reinforced plastics ,FRP）因具有比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定及特殊的电磁功能等特点，是航空、航天、军用武器装备等首选材料之一，随着社会经济形势的变化及先进复合材料的高速发展，高性能纤维增强塑料已从尖端领域的应用扩展到一般工业领域，尤其是日本阪神大地震之后，高性能纤维片材作为土木工程结构加固和修补用材料， 在美国、日本及欧洲都得到了广泛地应用。与传统的土木工程结构加固和补强方法相比，高性能纤维片材具有如下优点；轻质，高强，材料可设计，耐疲劳，抗腐蚀，施工简洁、方便，综合成本低等特点，高性能纤维片材在土木工程结构领域的研究和应用，开辟了一条高效、方便、经济加固土木工程结构的新途径。在中国，自90年代末开展碳纤维片材加固混凝土结构的工程应用研究以来，尤其是《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》颁布以来，碳纤维片材在加固领域的应用迅猛上升， 2004年全年用量已达到80余万平方米。但是，由于碳纤维属于军用敏感物资，全球仅有日本、美国等少数几家公司能提供商品化生产，易被垄断。最近几年由于多方原因，产品供不应求，价格急剧上升，这导致工程成本大幅上升。目前在日本及欧美等国，玻璃纤维片材在某些领域亦等到较广泛的应用，利用我国玻璃纤维的优势，开发低成本的、适合土木工程结构加固要求的玻璃纤维纤维片材理应成为当务之急。
2、玻璃纤维的性能及比较
先进复合材料的主要增强材料包括碳纤维、玻璃纤维，芳纶纤维等三大类。高性能纤维的性能指标见表1。
玻璃纤维是由玻璃经熔融拉丝制成，主要分为E玻璃纤维、S玻璃纤维、A玻璃纤维、C玻璃纤维等。E玻璃纤维含碱量（K、Na）低于1%，具有较大的强度、刚度、延展性，绝缘性、耐热性、耐湿性优越，价格便宜；S玻璃纤维比E玻璃纤维具有较大的强度、刚度、耐热性、耐湿性和耐疲劳性，价格也较高，但比碳纤维及芳纶纤维价格低， S玻璃纤维国产牌号为HS2、HS4，主要用于航空、航天、军用武器装备及压缩天然气气瓶等。A玻璃纤维、C玻璃纤维含碱量（K、Na）较高，强度也较低，尤其在湿态环境下强度下降较多，不适于结构加固。玻璃纤维与碳纤维相比，最大的弱点是刚度不够高，耐腐蚀较差，尤其是耐碱性较差，这在相当程度上限制了其在土木工程结构加固领域的推广应用。近几年，国内外新开发出了耐化学腐蚀性更好的ECR玻璃纤维，ECR纤维与E玻璃纤维的耐化学腐蚀性如表2所示。
表1。高性能纤维性能
纤维种类 直径
μm 密度
g/cm3 拉伸强度GPa 拉伸模量GPa 断裂伸长% 热膨胀系数
10-5K-I 热传导系数Mw*cm-1*K-1 回潮率%
纵向 横向 纵向 横向
玻璃纤维 S型 7 2.50 4.6 90 4.0 0.56 — — — —
E型 21 2.54 3.1 74 4.4 0.49 0.49 11 — —
ECR型 21 2.54 3.9 80 4.9 0.49 0.49
碳纤维 HS 7 1.76 5.5 294 1.9 -0.03 1.0 240 — —
HM 7 1.76 3.9 588 0.7 -0.07 1.0 1015 — —
芳纶纤维 LM 7 1.44 2.8 62 3.6 — — — 4.5
HM 12 1.44 2.8 124 2.8 -0.6 5.9 32 4.5
KM2 1.44 3.1 58 4.0
表2。ECR玻璃纤维与E玻璃纤维耐化学腐蚀性对比
样品 失重
10%H2SO4,24hr 10%HCL, 24hr 0.1N NaOH, 24hr
E玻璃纤维 17.85% 22.30% 0.46%
ECR玻璃纤维 0.21% 0.21% 0.27%
由表2。可知，ECR玻璃纤维的耐化学腐蚀性能比传统的E玻璃纤维有了很大的提高，同时，与碳纤维相比，其延性较好，价格便宜，且电绝缘，尤其玻璃纤维复合材料的热膨胀系数与混凝土接近，在复合材料与混凝土界面处因冷热交变而导致的应力小，因此其在混凝土结构加固领域具有较大的应用潜力。
3、 玻璃纤维片材的制备工艺及特点
土木工程结构加固用高性能纤维片材根据制备工艺可分为三类：机织织物、非织造织物及缝编织物。由于玻璃纤维的拉伸模量比较低，因此片材的厚度应比碳纤维片材厚。如采用非织造织物即网格支撑工艺制备，所制片材易松散，难以满足现场施工要求；而采用缝编织物工艺，则需被衬薄毡，这将大大增加施工用胶量，增大施工成本。因此采用机织工艺，采用单向稀纬平纹织物结构，并通过化学等方法将纵向纤维定型。该织物特点是经向纤维含量大于97%，纬纱稀细，经纱无变形，并且经纱经扁平化处理，利于浸胶，同时在织物结构最有效的部位均匀地附着粘接剂，织物不变形，结构稳定，易裁剪，便于施工,在每束纤维之间存在缝隙，利于气泡的排除，最终复合材料性能气泡率低，材料性能好。同时所采用的ECR纤维的单丝直径为23μm，与低直径的纤维相比，浸透性更好。我们所研制的G430E、G900E玻璃纤维片材的性能指标及国内外同类产品的性能指标如表3。
虽然玻璃纤维片材的厚度增加，其用胶量加大，但其综合材料成本（含胶）（在承担相同的加固荷载下）为200克碳纤维的三分之二，为高强度玻璃纤维的二分之一。
表3。玻璃纤维片材的性能指标
牌号 TYFO
SHE-51 SGFW
-430 LICA
G900E LICA
G430E
纤维类型 E玻纤 HS2玻纤 ECR玻纤 ECR玻纤
纤维密度g/cm3 2.54 2.53 2.54 2.54
纤维单位重量g/m2 913 430 900 430
名义厚度mm 0.365 0.169 0.355 0.169
抗拉强度MPa 平均值 2020 2600 1700 1800
标准值 1500 2000 1500 1500
拉伸模量GPa 72 90 80 80
断裂伸长% ＞1.8 ＞2.0 ＞1.8 ＞1.8
4 玻璃纤维片材的耐久性研究
研究了E型玻璃纤维片材（含浸树脂）的老化性能，结果如表4。所示。
表4。玻璃纤维片材的老化性能
样品 耐水性能
自来水
23℃，30天 冻融实验
-17±2℃和
8±2℃
3小时/次
循环次数 100 湿热老化试验
温度 38℃，
湿度98%，
时间1000小时 碱环境
25±2℃
饱和氢氧化钙溶液（PH14）
30天
CFRP 抗拉强度 无明显变化 下降8% 无明显变化 无明显变化
拉伸模量 无明显变化
极限应变 下降10%
GFRP 抗拉强度 下降10% 下降13% 下降20% 下降30%
拉伸模量 无明显变化 无明显变化 下降12% 下降12%
极限应变 下降8% 下降13% 下降10% 下降8%
参照表2的数据，ECR玻璃纤维片材的耐老化性能指标应该强于E玻璃纤维片材。
美国ACI440在制定FRP系统加固混凝土结构指南时，针对不同环境对材料性能的影响，给出了相因的影响因子，如表5所示。
文章来源： 永年加固公司 本文链接: http://www.lubanwang.com/a_20130722151224.html 任何关于加固工程的问题和建议，敬请咨询：0591-87868646
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