摘 要: 碳纤维复合材料(CFRP) 作为一种新型材料, 有着优良的物理特力学性能. 近年来在土木工程中的应用越来越广泛. 综述了CFRP 的发展历程及主要研究成果. 分析了CFRP 的材料特性, 并对其优缺点进行了对比分析. 同时对国内外新开发的CFRP 筋专用锚具作了简单介绍.
关键词: 碳纤维; 材料特性; 锚具; 土木工程; 综述
中图分类号: TU 5 文献标志码: A
混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式, 但混凝土结构存在钢筋锈蚀、混凝土碳化等现象, 因此存在结构耐久性和抗疲劳性不好等问题, 尤其是处于侵蚀性和暴露环境下的混凝土结构受损更加严重. 每年用于桥梁维修和加固的资金巨大, 因此, 开发新型材料用以提高结构性能成为土木工程领域的一个趋势. 碳纤维复合材料CFRP (Carbon F iber Reinfo rced Po lym er) 已成为土木工程的研究热点[ 1～ 30 ].
1 碳纤维复合材料(CFRP) 的发展历程
纤维增强聚合物复合材料FRP (F iber Reinfo rced Po lym er) 问世于20 世纪40 年代. CFRP 最开始由美国制造. 1950 年, 美国空军基地在2 000℃高温下牵引人造丝得到CFRP[ 30 ]. 1959 年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基CFRP; 1962 年, 日本碳素公司实现低模量聚丙烯腈基CFRP 的工业化生产; 1963 年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈基CFRP; 1965 年日本群马大学试制造出沥青或木质素为原料的通用型CFRP; 1969 年, 日本大谷杉郎从特殊的共聚PAN 中生产出高强、高弹模的CFRP (芳香族聚酰胺纤维) ; 1970年, 日本吴羽化学公司实现沥青基纤维的工业规模生产; 1972 年, 美国杜邦公司生产出密度为1. 2～ 1. 5 töm 3强度达3 000M Pa 的A ram id (阿拉米德) CFRP; 1980 年美国金刚砂公司研制出酚醛纤维为原丝的活性碳纤维并投放市场; 1996 年全世界碳纤维总生产量已达17 000 t, 其中聚丙烯腈基纤维占85% , 其余是沥青基纤维.2002 年世界聚丙烯腈基碳纤维的生产能力约为3. 1 万t, 其中75% 是小丝束碳纤维, 25% 是大丝束碳纤维. 1996～ 2000 年世界高性能碳纤维的生产能力详见表1. 碳纤维材料主要由日本生产, 美国其次. 其他国家产量很少.根据原料和制造方法的不同, CFRP 分为PAN 系CFRP 和沥青系CFRP 两大类. 目前在工程中应用的CFRP 是由多股连续纤维与树脂胶合后经过挤压和拉拔成型得到的.
2 碳纤维在土木工程中的应用研究现状
2. 1 国外的应用研究状况
CFRP 材料首先应用于航天工业, 这项技术在20 世纪70 年代已趋于成熟. 在土木工程中的应用始于20 世纪60 年代的美国. 但当时试验结果不理想, 而且价格很高, 所以在其后的二十多年里, FRP 材料在土木领域的研究与应用没有得到很大的发展. 在土木工程中的应用研究直到80 年代初才开始重视, 但相关的研究主要集中在欧美、日本和澳大利亚等国[ 1, 4 ]. 应用范围多集中于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程, 其中桥梁方面应用较多.
1991 年7 月, 瑞士联邦材料测试研究所首次在总长228m 的多跨连续箱型梁桥( Ibach 桥) 进行了碳纤维加固试验并获得了成功. 20 世纪90 年代国际上对碳纤维材料在土木工程中的应用进行了广泛和系统的研究, 尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中首先得到了广泛应用. 有些发达国家已编写了相关的设计, 施工规程, 指南和手册. 1997 年英国至少在30 座桥梁和结构物中采用CFRP 加固和修补技术. 美国和加拿大的盐害较严重, 约有60 万座桥梁受害, 需要加固和修复. 美国混凝土协会(AC I) 已经成立了专门委员会(AC I440) , 在美国很多机构开始CFRP 的应用研究; 加拿大也已经建立了相关的研究开发基地, 并且编制CFRP 的规程. 日本在土木工程中应用CFRP 已经有20 多年的历史.
2. 2 国内的应用研究状况
我国对土木结构方面的CFRP 研究起步比较晚, 在1996 年前后才开始[ 28 ]. 目前的研究主要集中在CFRP片材加固和修复混凝土结构. 最初只有国家工业建筑诊断与工程技术研究中心进行相关研究, 后来清华大学、同济大学、湖南大学、哈尔滨工业大学等十余所高校相继开始, 并在在板梁柱的模型实验和加固与修复方面取得实质性成果[ 29 ]. 直到1998 年才有少量的工程开始应用. 2000 年, 成立了全国纤维增强塑料(FRP) 及工程应用专业委员会, 并在同年6 月召开了“首届FRP 混凝土结构学术交流会”. 我国已编制并颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,《结构加固修复用碳纤维片材产品标准》和《结构加固修复用粘贴树脂产品标准》.
FRP 国家规范正在编制中.
近年来, FRP 的应用研究发展很快, 我国已有部分企业开始生产GFRP 和CFFP 筋. 在修复和加固混凝土结构方面, 理论上已经比较成熟, 技术上也日趋完善.
3 FRP 的分类及材料特性
纤维增强聚合物复合材料FRP 是由包裹在树脂母体中的连续纤维做的[ 26 ]. 以纤维为增强材料, 树脂为基体由材料, 并掺加辅助剂, 经拉拔成型和必要的表面处理形成的一种新型复合材料[ 24 ]. 树脂主要起粘结作用.土木工程领域常用的FRP 材料按纤维成分主要划分为[ 27 ]: 碳纤维增强聚合物复合材料CFRP (Carbon F iberReinfo rced Po lym er)、玻璃纤维增强聚合物复合材料GFRP (Glass F iber Reinfo rced Po lym er)、芳纶纤维增强聚合物复合材料A FRP (A ram id F iber Reinfo rced Po lym er). 国外近来新开发了PBO 2FRP 复合材料、DFRP 复合材料.
FRP 抗拉强度高、重量轻、免锈蚀、热膨胀系数低、无磁性、抗疲劳性好, 非常适合用于土木工程中. CFRP的比强度是钢材的20 倍, 体积分数仅为钢材的1ö5, 所以很适合用于超大跨径桥梁中. CFRP 和A FRP 的疲劳性能好, 为钢材的三倍, 其疲劳极限可达静荷载的70%～ 80% ,O dagiri 等人建议最大工作应力可处于初始抗拉强度的54%～ 73% 之间[ 5 ]. 新型的FRP 产品PBO 2FRP 除具有高强CFRP 相近的力学性能外, 还表现出更好的物理性能, 如良好的柔韧性等[ 3 ]. DFRP 也具有良好的物理性能, 抗拉极限应变可达到3. 5% , 延性很好[ 3 ].
FRP 产品的主要形式有片材(板材和布材)、型材(矩形、工字形、蜂窝型、格栅型、层压型)、筋材(圆筋、方筋、变形筋、预应力张拉用的绞线和筋束等). FRP 在土木工程中的应用研究主要是以下几方面:
(1) FRP 的材料性能及新型FRP 材料:
(2) FRP 修复和加固现有结构;
(3) FRP 配筋的混凝土结构;
(4) FRP 型材料结构以及组合结构;
(5) FRP 索结构.
FRP 型材主要应用于桥面板. 因其耐腐蚀、重量轻、抗疲劳性好且弹性结构耐超载及施工方便等优点, 所以有显著的竞争优势.
目前使用的FRP 也存在一些不足, 主要表现为:
1. 材料各向异性, 造成受力上许多不同于传统材料的现象;
2. CFRP 和A FRP 的弹性模量低;
3. 材料的整体抗剪强度及层间剪切强度低, 造成连接设计上的困难[ 6 ];
4. FRP 直到拉断还表现出线弹性的力学特征, 断裂应变小, 破坏呈脆性,防火性能差, 抗紫外线性能差.
尽管三种FRP 材料都具备桥梁结构要求的基本特性, 但从结构力学等综合性能指标的比较来看, CFRP无疑具有很大的优势.CFRP 与钢材相比, 具有以下显著特点[ 9 ]:
(1) 抗拉强度高, 顺纤维方向抗拉强度远大于普通钢筋; 但均匀性较钢材较差, 各向异性, 抗剪和抗多轴向力强度低;
(2) 重量轻, 密度约为钢材的1ö5, 便于施工安装;
(3) 耐久性好;
(4) 抗腐蚀性能好, 除了强氧化剂外, 一般如浓盐酸、30% 的硫酸、碱等对其均不起作用;
(5) 热膨胀系数低;
(6) 应力2应变曲线呈线性分布;
(7) 减震性能好, 其自振频率很高, 可避免早期共振,且内阻很大, 若发生激振, 衰减快;
(8) 材料柔软, 产品形状几乎不受限制, 还可以任意着色, 将结构形式和材料美学统一起来;
(9) 非磁性.
从CFRP 材料的综合物理、力学特性来分析, CFRP材料适合作为桥梁结构的受拉或预应力受弯构件, 特别适用于纯受拉构件, 材料自身的优势可以得到最大限度的发挥. 工程实践也证明了这一点. 目前, CFRP 主要应用在旧桥加固时约束裂缝的开展, 承受拉应力; 新建桥梁中主要作为受拉的缆索或主梁的预应力筋.
4 CFRP 在土木工程中的实际应用
CFRP 片材包括布材和板材, 主要应用于结构的补强及加固. 基于国内外几十年的应用研究, 该技术已经相当成熟. 主要应用于钢筋混凝土、预应力混凝土桥梁的加固和修复.
CFRP 筋及型材用于增强新建结构. CFRP 筋是采用多股连续碳纤维作为增强纤维, 热固性树脂作为机体材料, 将增强纤维和基体树脂胶合, 通过固定截面形状的模具挤压、拉拔, 快速固化成型的复合材料. CFRP 预应力索作为结构增强材料可以替代传统混凝土结构中的钢筋与钢绞线而解决钢材的腐蚀问题, 截至2000 年,已至少有500 多个工程结构应用FRP 筋[ 10 ].
CFRP 拉索的密度与温度变形系数远小于钢丝, 因此在CFRP 斜拉索中, 由于自重所导致的弹性模量的损失(垂度效应) 将远远小于钢斜拉索, 而且CFRP 对温度变化不敏感.
FRP 与混凝土组成的混合结构也是今后发展的一个趋势. 若在桥梁上部结构中应用FRP, 则设计应力中的活载应力的比例由10%～ 20% 提高到50%～ 70% [ 11 ].
CFRP 吊杆因其具有良好的抗疲劳性能亦将在大跨度索桥、系杆拱桥中有广泛的应用前景[ 11 ].日本是世界上第一个在混凝土桥梁中采用CFRP 绞线作为预应力筋的国家. 1988 年, 在石川县Sh inm in 拱桥中首次采用CFRP 绞线[ 12 ]. 此桥是先张法预应力混凝土板式桥, 桥宽7m , 跨度5. 76m. 它在1999 年建成通车的主跨径为1 030 m 的Ku ru sh im a 悬索桥中, 首次采用碳纤维束作为锚道的主要缆索[ 9 ]. 根据日本复合筋俱乐部2002 年统计, 日本已有200 多项工程中采用FRP 筋和FRP 绞线[ 13 ].
美国已经设计和施工了多项示范工程, 如联邦公路管理局的预应力大梁试验和密歇根州的桥梁工程[ 14 ].
英国于1992 年建成主跨为63 m 的FRP 人行斜拉桥[ 11 ].加拿大将FRP 预应力筋用于Talo r、Crow ch ild、Fo rre 三座大桥上, 均于1997 年建成[ 13 ].
丹麦于1999 年建成总长80 m , 的Hern ing 人行斜拉桥, 该桥采用了16 根CFRP 斜拉索, 其中每根由32 根CFRP 绞线组成[ 9 ]. 荷兰于2001 年通车的鹿特丹海港地域的丁太哈文桥箱梁顶板采用四根体外CFRP 预应力束[ 13 ].
2002 年美国和日本合作建成了密歇根州Sou thf irld 市的第一座CFRP 筋桥[ 13 ].重庆交通学院于1986 年建成国内第一座蜂窝夹心FRP 板组合箱梁单索面非对称斜拉桥(全桥长50 m ) [ 11 ].
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新型材料用于斜拉桥趋势发展迅猛, 将使其承载力提高50% 左右, 极限跨径达到普通斜拉桥的1. 2～ 2. 3倍, 为跨海通道和贯通海峡桥梁, 特别是直布罗陀海峡主跨8 400 m 的复合材料斜拉桥的建造奠定了基础[ 11, 15 ].
CFRP 是一种晶体材料, 其径向与横向强度比(20∶1) 较大, 尽管抗拉强度很高但其抗剪强度低. 而在预应力CFRP 筋的锚固系统中, 同时存在着纵向拉应力和横向压应力, 当CFRP 筋在锚具处的主应力超过临界值破裂时, 其抗拉强度得不到充分发挥. 传统的夹片式锚具不再适用于CFRP 筋, 否则将会由于其横向强度过低导致锚具组装件在锚固区过早失效. 因此, 将CFRP 筋用于预应力混凝土结构的关键是寻求可靠的锚固方法, 开发研制适应CFRP 筋特性的新型锚具. CFRP 筋专用锚具应该避免应力集中, 制作方便, 体形小巧, 耐久性好.
5 碳纤维锚具的应用研究
5. 1 碳纤维锚具在国外的研究状况
国外学者自上世纪80 年代开始对FRP 筋的粘结性能进行研究. 通过大量的试验, 发现胶着力和摩擦力对GFRP 筋的粘结强度起决定性作用. 当今国内外的粘结型锚具, 主要用树脂胶和微膨胀水泥作为填充材料.
日本、美国和加拿大等国家对FRP 筋的张拉与锚固体系的研究开发已经取得了一定的成果. 主要有楔块式(W edge Type)、灌浆式(Grou t Type) 和压铸管式(D ie2cadtW edge Type System ) 三种[ 13, 19 ]. 楔块式包括夹片式和锥塞式. 夹片式又分为两片式塑料夹片、两片式铝夹片、两片式钢夹片加铝套管或铜套管及四片式钢夹片. 锥塞式则主要使用于横向变形能力较好的芳纶纤维. 该类锚具是在传统钢绞线的锚具上发展起来的. 主要失效模式为: 锚固区由于剪应力过大而造成的碳纤维筋的剪切失效破坏.粘结式锚具包括树脂套筒锚具(Resin sleeve ancho r)、和树脂封装锚具(Resin2po t ted ancho r). 树脂套筒锚具为管状的金属或非金属套管或套筒, 内表面带螺纹或经加工变形, 锚固作用靠在套筒内注入树脂或粘结剂得以实现. 并采用支承螺母锚固到构件上, 树脂可采用环氧树脂砂浆, 也可灌水泥浆或膨胀水泥材料. 封装锚具锚具是在内部为锥形孔的锚杯内填充树脂砂或水泥.
粘结型锚具的优点是容易制作和检验, 缺点是需要预先下料, 并为树脂和水泥浆的硬化留一定的时间. 此外, 粘结型锚具的尺寸较大, 长度可达500 mm , 抗冲击能力差, 蠕变大, 对施工环境的要求较高[ 21 ].夹片2粘结式锚具是将树脂套筒式锚具与夹片式锚具合并, 组合成一种新的锚具, 其中一部分力通过树脂的粘结力传递至套筒, 并通过粘结和夹片横向压力的综合作用进行锚固. 普通的粘结型锚具包括锚具套筒和紧固螺栓, 锚固原理是采用粘结材料将碳纤维筋和套筒粘结在一起, 再通过紧固螺栓张拉并产生锚固效果. 国外类似锚具所采用的粘结材料种类很多, 包括环氧基粘结剂, 硅酸盐水泥以及低熔点合金等. 夹片2粘结式锚具兼顾了机械夹持式锚具与粘结型锚具的双重优点, 组件加工方便, 体积小巧, 锚固效果很好, 且可用于多根FRP筋的锚固.
5. 2 碳纤维锚具在国内的研究状况
在预应力张拉锚固体系方面, 我国的技术一直比较落后.
1984 年建设部将钢绞线预应力张拉锚固体系的研究列入了科学技术开发计划, 经过几年的研制与试用,于1987 年前后推出了XM 预应力体系与QM 预应力体系, 随后YM 体系和OVM 体系相继研究成功.传统钢绞线锚具按锚固方式不同可以分为夹片式、支承式、锥塞式及握裹式四种[ 16, 17 ]. 而CFRP 筋锚具可以分为机械夹持式、粘结式和复合式. 主要包括在以下两个方面中: 改造统夹片式锚具的和开发新型粘结式锚具. 东南大学张志文等人结合我国现有张拉设备, 开发了杯口灌胶式、套筒灌胶式、粘砂夹片式、带胶挤压式、带护筒夹片式锚具[ 18 ]. 其中套筒灌胶式锚具在端部增加了分离的螺堵, 以便浇注时对中, 防止受力偏心. 但灌胶式类型锚具的缺点是胶固化时间长. 湖南大学方志等人采用两片式钢夹片加铝套管的夹片式锚固系统, 并对夹片时螺纹进行工艺处理, 取得了较好的锚固效果. 粘结式锚具采用环氧铁砂、普通混凝土及高性能混凝土作为填充介质, 提出了较为有效的锚固CFRP 筋的方式[ 19 ]. 广西工学院张鹏等人对传统钢绞线夹片式锚具进行改造, 采用细牙, 同时适当减小了齿高和齿距, 降低了锚具对CFRP 筋的嵌入深度. 他们开发的粘结式锚具采用环氧树脂作为填料, 锚杯为无缝高强钢管, 此锚具在张拉时共同受力, 但灌装工艺需要真空, 施工很复杂[ 20 ].
CFRP 筋锚具的研制均应考虑以下几个问题:
(1)CFRP 筋的极限强度、弹性模量、极限应变等力学性能, 以及筋的形状、所用纤维及机体类型, 制造工艺等材料特征等;
(2) 锚具对CFRP 筋的影响;
(3) 锚具本身的抗腐蚀性和耐久性;
(4) 温度变化对锚具的影响.
6 CFRP 材料及锚固系统疲劳试验研究
目前, CFRP 材料主要用于非承重结构, 但逐渐开始在承重结构中应用. 因此, 对其进行抗疲劳性能研究非常重要. 国外研究表明FRP 材料的抗疲劳性能优于传统材料, 但是FRP 材料受工作环境的影响也很大. FRP筋的疲劳性能主要取决于纤维种类、筋表面形状、环境条件及加载频率等.
CFRP 材料的纤维和基体界面能很好阻止裂纹的扩展, 其疲劳破坏总是总是从纤维的薄弱环节开始, 随后逐步扩展到界面上, 而且破坏前有明显征兆. 其疲劳损伤机理包括:
(1) 纤维破坏, 主要由总体或局部纤维过载引起, 总体纤维过载造成材料失效, 局部过载造成局部纤维断裂, 而后通过基体传到相邻的纤维; (2) 基体损伤主要由基体内部缺陷及超过基体材料疲劳极限引起, 这种损伤是一个漫长的积累过程. 在疲劳寿命预测中占重要地位. (3) 界面损伤. 其实, 在实际工程中的材料疲劳损伤是多种损伤的结合.
国外研究表明FRP 材料的抗疲劳性能优于传统材料, 但是FRP 材料受工作环境的影响也很大. FRP 筋的疲劳性能主要取决于纤维种类、筋表面形状、环境条件及加载频率等.
国外对FRP 筋及拉索锚固系统的试验研究主要集中在日本、美国及加拿大等应用FRP 较早的发达国家,特别是日本, 已经开发出锚固各类FRP 筋的锚固系统, 并完成了相关的静力及疲劳性能试验研究.
研究表明, 钢绞线的疲劳强度受夹片刻痕及侧向力的影响很小, 锚具疲劳性能降低的主要原因是, 钢绞线与夹片齿痕之间的往复位移使钢绞线产生擦伤疲劳腐蚀. 所以, 在疲劳荷载作用下, 保证夹片与钢绞线紧密咬合, 在循环作用下不产生或尽量减少往复位移, 是提高锚具性能的关键.
7 结束语
CFRP 具有优异的材料特性和使用性能, 如强度高、弹性模量适中、形变小、质轻、耐腐蚀、耐疲劳和无磁性, 所以在土木工程中的应用范围越来越广. 国外在CFRP 应用研究理论和技术上, 某些方面已相当成熟, 但在我国的开发与应用尚处于初级阶段, 欲使其在土木工程中推广使用, 尚需进行大量的更加深入研究.
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