淺談芳綸纖維布在結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹了路威2008芳綸纖維AFRP復(fù)合材料，由于其輕質(zhì)高強、高彈模、耐腐蝕性能好、不導(dǎo)電、抗沖擊性能好等一系列特點，所以它在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用技術(shù)主要是橋梁、隧道、地鐵、海港碼頭工程以及一些工業(yè)產(chǎn)房等建筑中有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)領(lǐng)域。

1、引言

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。如對于傳統(tǒng)的鋼筋增強材料，應(yīng)尋找一種強度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料；同時，對于既有結(jié)構(gòu)的加固、維修和改造又要經(jīng)濟、施工方便、美觀，施工后結(jié)構(gòu)承載力明顯提高等優(yōu)異的物理力學(xué)性能的材料及技術(shù)所代替。

土木結(jié)構(gòu)工程常用的FRP復(fù)合材料主要有芳綸纖維（AFRP）,碳纖維（CFRP）和玻璃纖維（GFRP），其材料形式主要有片材、棒材和型材。所有的FRP都有一些共同的性質(zhì)：輕質(zhì)高強、高彈模、在拉斷前均為彈性，熱膨脹系數(shù)低、各向異性、耐腐耐久性能好等，所以在土木結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用潛力巨大。另外，F(xiàn)RP復(fù)合材料使用維護成本低、可以自由裁減、節(jié)省材料、施工便捷，雖然其前期投資較大，但從長期投資的角度看效益明顯。

2、材料的基本特性

本文提供了一種新型的用于土木結(jié)構(gòu)工程的材料及相應(yīng)的技術(shù)，路威®2008芳綸纖維，其主要成分是對苯二胺聚合物（PPTA）,其中既含脂肪族主鏈又含芳香族主鏈，所以有牢固的分子結(jié)構(gòu)，路威2008芳綸纖維是由直徑為12um左右的單絲匯集在一起形成的多纖維狀結(jié)構(gòu)，芳綸布是芳綸纖維由單向或雙向排列形成的一種片材，常用的是單向片材，它的力學(xué)性能指標(biāo)主要如下表：

表1 芳綸纖維布（單向）的主要性能指標(biāo)

它除了具有所有的FRP復(fù)合材料共同性質(zhì)：輕質(zhì)高強、高彈模、防腐耐久性能好等特點，其次，它還有自己獨特的特點，抗堿腐蝕能力強、不導(dǎo)電、抗動載、抗沖擊性能好,這就使它在海港碼頭工程；絕緣性要求高的場所如地鐵、隧道及電氣化鐵路上路橋的施工；抗疲勞要求高的地方和沖擊大而頻繁的構(gòu)件等,另外，由于它是一種有機材料，所以和同是有機材料的樹脂的浸透能力比其它FRP材料強，芳綸固化時間是其它FRP材料的1/3-1/4，經(jīng)濟效益相應(yīng)就提高了，有著其它FRP材料所不能比的優(yōu)勢。

3、芳綸布在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用領(lǐng)域

梁：主要是橋梁和民用建筑或工業(yè)產(chǎn)房，加固的方式包括抗彎和抗剪，在進行抗彎加固時，芳綸布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)試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK-40可以提高承載30％左右，貼兩層可以提高40％左右；在進行抗剪加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向垂直。

柱子：芳綸布是一種理想的柱子加固材料，首先，因為芳綸的彈模是118Gpa,相對于碳纖維（彈模230Gpa）,所以它的延性較好；其次，在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30mm左右，芳綸就可以節(jié)約很多工時，最后，由于芳綸布是一種柔軟的布，所以追隨性很好，特別是對于形狀不規(guī)則的承臺，芳綸布是一種理想的加固材料。

砌體、板：一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后要不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復(fù)合材料進行加固是一種理想的選擇。

煙囪、水塔 ：由于象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)方法基本上很難解決這樣的問題，而輕質(zhì)高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的芳綸纖維就是一種很好的選擇。

地鐵隧道：由于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，在洞頂和洞測都有土的力的作用，而且它也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統(tǒng)的加固方法可能性很小，用芳綸布進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱定或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的，這就要求它的修復(fù)材料必須具有良好的抗剪性能才行，而且芳綸還是一種不導(dǎo)電的FRP材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。

4、芳綸纖維的應(yīng)用特性

不導(dǎo)電性：在現(xiàn)代的工程中，如地鐵、隧道、電氣化鐵路以及工業(yè)廠房等等，都對絕緣性要求很高，在這些工程的加固補強中，芳綸纖維有著絕對優(yōu)勢，也給這些領(lǐng)域提供了一個最佳的選擇機會。

耐腐蝕性好：特別是耐強堿腐蝕，這點其他FRP復(fù)合材料不能相比的，由于在海水對混凝土結(jié)構(gòu)有很強的腐蝕性，主要是因為里面含氯離子較多的緣故，導(dǎo)致混凝土碳化，鋼筋銹蝕膨脹，所以在一些海港碼頭工程的加固及防護中，芳綸纖維是最佳的選擇。

抗沖擊性：由于芳綸纖維的彈模是118Gpa，延性特別好，它的延伸率為1.8％，所以剛開始時它在國外是用作軍工產(chǎn)品，如防彈衣等。用它加固一些對沖擊性要求很嚴的結(jié)構(gòu)中，如主航道的橋墩等

抗動載抗疲勞性能好：雖然碳纖維的抗拉強度非常高，但由于它是一種脆性材料，只能承受長期的靜荷載，如果長期承受動載，就不能保證它的強度了，芳綸纖維則不受這個限制，早期主要用于軍工產(chǎn)品，而且是防彈衣的主要材料，由于其韌性比較好，所以相應(yīng)的其抗疲勞能力就非常好，另外，芳綸纖維的抗剪切能力也是所有FRP材料中最強的。

施工方便：主要是以下幾個步驟，表面處理——涂刷底膠——底層浸漬樹脂——粘貼芳綸布——外層浸漬樹脂——表面防護，而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機械設(shè)備，一般不需要做倒角，方形柱子的倒角只要做10mm就可以了，因為芳綸是一種有機材料，與樹脂的浸潤性很好，且養(yǎng)護時間很短一般為幾個小時，而類似其它纖維則需要一至二周。

5、各種加固方法的比較

貼鋼板：在用鋼板加固時，一般將鋼板貼在被加固的橋梁結(jié)構(gòu)受力部位的外邊緣，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形，但是，采用這種方法加固必須注意幾點：首先，對鋼板的尺寸要求很嚴格，抗彎時宜薄點以保證它和原結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，抗剪時則宜厚點，而且在錨固時應(yīng)使端部鋼板延伸到應(yīng)力較小區(qū)，防止應(yīng)力集中對結(jié)構(gòu)承載力的損害；其次，貼完后，必須對鋼板邊緣裂縫的進行處理；最后，還要對鋼板進行防腐處理，這也是一項長期的任務(wù)，所以綜合起來造價相當(dāng)高，而且，它的使用范圍還有一定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴格的地方。

擴大截面法：這種加固方法的原理在于通過增大受力面積來提高結(jié)構(gòu)的承載力，這種方法一般都用在一些很小而且對凈空沒多少要求的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)點是成本較低，缺點是增加原結(jié)構(gòu)的自重同時凈空減小了，工期長，有很大的局限性，在目前，現(xiàn)在較大的工程都不會用它。

碳纖維：在目前的FRP材料加固市場中，碳纖維占的比例最多，種類也很多，進口的和國產(chǎn)的都有，常用的規(guī)格一般為0.11mm的和0.167mm兩種，它的作用機理和我們的路威® 2008芳綸纖維以及其它FRP復(fù)合材料基本是一致的，利用其輕質(zhì)高強、高彈模、耐腐蝕耐久性能好等優(yōu)勢對結(jié)構(gòu)進行加固，雖然它能很大的靜載，但由于碳纖維是一種易發(fā)生脆性破壞的材料，所以如果經(jīng)常承受動載或沖擊，就不能保證它的強度的發(fā)揮了，而芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞，另外，碳纖維，還是一種導(dǎo)電的材料，所以在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，也不宜用它，而同為高強高彈模的芳綸纖維就不存在這樣的局限了，而且還是它的優(yōu)勢所在，芳綸纖維在抗剪方面也有很大的優(yōu)勢，在裁剪時就必須用專門的陶瓷剪刀，在加固墩子時一般也是利用芳綸優(yōu)異的抗剪性能。

6、結(jié)論

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，現(xiàn)在及今后相當(dāng)長的一段時期，各類橋梁及房屋建筑結(jié)構(gòu)的維修、加固、改造將成為建設(shè)工程的側(cè)重點。目前國內(nèi)的常用的加固方法主要有以下幾種在纖維布復(fù)合材料加固、粘鋼板、體外預(yù)應(yīng)力擴大截面等方法，芳綸纖維復(fù)合材料具有鮮明的特點，并且由于其性價比明顯優(yōu)勢，相信會越來越廣泛地被大家關(guān)注，成為我們舊危橋加固的應(yīng)用最廣的新技術(shù)。

參考文獻

[1] 飛渭，江世永，彭飛飛，陳正平，李慶楓，陳龍.預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固砼受彎構(gòu)件試驗研究。第二屆全國土木工程用纖維增強復(fù)合材料（FRP）應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集，中國.昆明，2002.7