通過介紹FRP復(fù)合材料,因其輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、耐腐蝕性能好及抗沖擊性能好等一系列優(yōu)點(diǎn),在橋梁、地鐵及一些工業(yè)廠房等混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)領(lǐng)域中,應(yīng)用潛力巨大。
土木工程學(xué)科的發(fā)展,在很大程度上依賴于性能優(yōu)異的新材料新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在已有結(jié)構(gòu)的加固改造領(lǐng)域,不僅要求材料經(jīng)濟(jì)美觀、便于施工,且要求施工后的結(jié)構(gòu)承載力能夠明顯提高。而FPR復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和廣泛的適用性發(fā)揮著越來越重要的作用。
FRP(fiberreinforcedplastics)復(fù)合材料主要有碳纖維(CFRP)、芳綸纖維(AFRP)及玻璃纖維(GFRP)等,其材料形式主要有片材、棒材和型材。FRP的共同優(yōu)點(diǎn)是:輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈模、抗疲勞、耐腐蝕耐久性能好、熱膨脹系數(shù)低等。另外,F(xiàn)RP復(fù)合材料可以節(jié)省材料、自由裁剪、施工方便且速度快,雖然其前期投資較大,但維護(hù)成本低,經(jīng)濟(jì)效益明顯。因此,F(xiàn)RP(片材)復(fù)合材料在土木結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用潛力巨大。
1、FRP復(fù)合材料的基本特性
隨著增強(qiáng)纖維材料的發(fā)展,碳纖維、芳綸纖維及玻璃纖維已經(jīng)成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程中加固補(bǔ)強(qiáng)的重要材料。一些典型的FRP(片材)復(fù)合材料的基本力學(xué)性能見下表。
FRP復(fù)合材料的性能各異,在拉伸強(qiáng)度及拉伸模量方面,玻璃纖維和芳綸纖維一般比碳纖維低1/3左右;在斷裂延伸率方面,芳綸纖維一般是碳纖維的2倍左右,玻璃纖維一般比碳纖維高70%左右;在韌性、抗沖擊性能方面,芳綸纖維和玻璃纖維要比碳纖維好得多;在抗堿腐蝕方面,芳綸纖維和玻璃纖維則不如碳纖維好。關(guān)于其它方面的性能差異,這里不再贅述。
2、FRP復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用領(lǐng)域
2.1民用建筑、橋梁及工業(yè)廠房
FRP復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能,在民用建筑及工業(yè)廠房的加固中應(yīng)用很多,主要有:①梁加固。加固的作用包括抗彎和抗剪。在進(jìn)行抗彎加固時(shí),F(xiàn)RP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般貼在梁的受拉側(cè),已提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)得出,只要該梁不是超筋梁,貼一層AK-60可以提高承載力30%左右,貼兩層可以提高40%左右;在進(jìn)行抗剪加固時(shí),F(xiàn)RP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向垂直;②板加固。一般對(duì)于板的加固凈空要求比較高,而且加固后不影響其外觀,所以用厚度很薄且柔軟的FRP復(fù)合材料進(jìn)行加固是一種理想的選擇;③柱加固。芳綸纖維布、玻璃纖維布是比較理想的柱加固材料。因?yàn)樗鼈兊膹椖P。鄬?duì)于碳纖維(彈模235Gpa),其延性較好;并且,在進(jìn)行棱角打磨時(shí)一般只需要10mm左右,一般不需打磨,而碳纖維則需要30mm左右,若采用芳綸纖維就可以節(jié)約很多工時(shí)。
2.2地鐵、隧道
因地鐵和隧道是一種在地下工作的結(jié)構(gòu),所以它的受力與地面結(jié)構(gòu)是不一樣的。在洞頂和洞側(cè),它都有土壓力的作用,而且也有凈空的要求,所以進(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí),傳統(tǒng)的加固方法不可行,而用芳綸纖維布(不導(dǎo)電)進(jìn)行加固維修就可以滿足它的各方面要求,因?yàn)樵诘罔F或隧道的拱頂或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的,這就要求修復(fù)材料必須具有良好的抗剪性能,而且還是一種不導(dǎo)電的材料,所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。
2.3煙囪、水塔
由于煙囪水塔這樣向高空發(fā)展的結(jié)構(gòu),加固維修特別困難,傳統(tǒng)加固方法(如擴(kuò)大截面法、粘鋼法)基本上很難解決這樣的問題,而采用輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性能都很好的復(fù)合材料(尤其是芳綸纖維)進(jìn)行加固,就是一種很好的方法。