土木工程结构用CFRP板材的研究与应用.pdf

土木工程结构用CFRP板材的研究与应用 戴方毕 黄建清 包兆鼎 (中材科技股份有限公司) (原南京玻璃纤维研究设计院) 摘 要:本文简述了CFRP板材的制备及应用技术，对国内外CFRP板材的材料性能做了比较。介绍了一 种CFRP板材的层间剪切性能的测试方法，并探讨了如何充分发挥CFRP板材性能的一些技术问题。 关键词:CFRP板材 层间剪切强度 1 引 言 纤维增强塑料(FiberReinforcedPolymers/Plastics,FRP)是一种性能优异的复合材料，它具有比强度高、 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，已被广泛用于土木工 程结构补强加固等。土木工程领域通常应用的FRP复合材料从增强材料分，主要有:碳纤维复合材料 (CFRP)、玻璃纤维复合材料 (GFRP)、芳纶纤维复合材料 (AFRP);从材料形式上分，主要有片材 (布 状片材及板状片材)、筋、棒和索等。它们在土木工程中的应用可分为两类，其中FRP片材主要用于己有 结构的修复和加固，这方面己取得了大量的研究和应用成果;FRP筋、棒和索主要是直接用于增强新建结 构，尤其是预应力构件和防腐要求较高的工程结构，以代替钢筋及其他形式的增强材料，这方面的研究和 应用在世界发达国家开展的较早，我国还处于初始阶段。 2 结构加固补强用CFRP板材 FRP片材作为一种新型的混凝土结构加固材料，具有轻质、高强，施工后增重小，不改变原有结构形 状，抗震性能好，耐腐蚀、使用寿命长，施工便捷、综合性价比高等特点，适于建筑、桥梁、隧道等混凝 土结构的加固和改造。片材主要包括布状及板状两种形式。布状材料在使用前不浸渍树脂，在施工过程中 再给予浸渍树脂并张贴于结构表面或包裹结构，对结构进行修复、劣化防止和抗弯、抗剪、抗压缩、抗震 加固。纤维织物易于树脂浸透，气泡易排除、施工便利，技术成熟、加固效果好，是目前用量最大的一种 片材，每年用量可达200万时。板材是指在使用前浸渍树脂并使其固化成板状，施工时再用树脂将其粘贴 在结构表面，类似于粘贴钢板。由于该形式的FRP利用率较高，近年来使用量增长很快。 碳纤维板材用于混凝土结构加固始于1991年，用于加固瑞士MACH桥，碳纤维板材纵向强度为 1900MPa，纵向模量为129GPa，纤维体积含量为51%，树脂基体为环氧树脂。随后，许多国家开始推广碳 纤维板材用于混凝土结构的加固。与布状柔性片材相比，FRP刚性板状片材具有质量好，性能稳定，施工 便捷的特点，而布状材料因需要现场铺层浸树脂，最终复合材料力学性能离散性较大，导致材料用量增加， 成本加大;且铺层增加后，容易发生层间剥离现象，从而降低了加固效果。相比之下，一层板状材料相当 于6-8层布状材料，施工更为便捷。 用于结构加固的碳纤维板材的生产工艺主要采用拉挤工艺。碳纤维一般选用高强度或高模量碳纤维， 树脂基体为环氧树脂或环氧乙烯基树脂。鉴于混凝土结构安全性的要求，通常以提高碳纤维板材的纤维体 积含量来降低其力学性能离散性。国外的CFRP板材的制备技术比较成熟，我国由于拉挤技术和FRP加固 技术都起步较晚，CFRP板材的制备技术相对较为落后。近年来，国内许多科研单位与生产产商也投入大 量的人力物力开展FRP板材的制备，相继开发出系列的碳纤维板材，促进了FRP单向板材生产技术的国 产化。南京玻璃纤维研究设计院于2001年开始研究CFRP板材的拉挤技术，承担江苏省科技攻关项目“土 第一作者:戴方毕 工业建筑 2004年增刊 27 木工程结构用高性能FRP板材的成套技术及装备”，攻克了板材制备技术的许多难题，现已自主生产CFUP 系列碳纤维单向板材。依据GB/T3354-1999对板材进行拉伸性能测试，参照中华人民共和国航空工业标 准 复《合材料层合板面内剪切试验方法》(HB7237-95)测定板材的剪切性能，结果表明CFUP系列碳纤维 单向板具有优异的力学性能，与国外产品同类产品相当，且性能离散性较小。表1列出了CFUP系列、瑞 士系列、法国系列碳纤维板材的性能。 表1.CFUP系列、瑞士系列、法国系列碳纤维板材的力学性能 CFU