芳纶纤维布在混凝土结构中的应用与发展

摘要：文章对芳纶纤维布补强加固技术在混凝土结构中的应用进行了分类与归纳，对其应用前景进行了展望；同时简要介绍了日本、美国、欧洲和中国芳纶纤维复合材料加固补强技术规范与标准，最后指出：随着中国加入WTO和建筑市场的逐步开放，我国迫切需要建立符合中国国情的有关芳纶纤维复合材料加固补强技术的设计和施工规范与标准。

 

关键词：芳纶纤维布；规范与标准；加固补强；设计和施工

 

 

 

    大批已有建筑物由于种种原因，诸如自然灾害作用、环境侵蚀、荷载增加、结构用途改变、更新设计标准和提高结构可靠度等，存在承载力和耐久性不足或使用功能不满足要求。为了改善这些结构的使用功能，提高承载力，延长使用年限，考虑环境保护和经济效益等综合因素，在许多情况下进行加固修复比重建更合理，特别是在使用快速、高效、简便的加固工艺的情况下，更具有优越性；因此工程技术人员把目光更多地投向采用新型复合材料维修加固上来。与传统的加固修补技术相比，纤维材料加固修补技术具有明显的技术优势。主要体现在以下几个方面：

 

    （1）高效高强。

    （2）具有良好的耐久性和耐腐蚀性。

    （3）适用面广。芳纶纤维加固修补技术可广泛应用于各种结构类型（如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞等），各种结构形状（如矩形、圆形、曲面结构等），各种结构部位（如梁、柱、板、拱、壳、墩等）的加固修补，而且不改变结构形状，不影响结构的外观。尤其重要的是，对于一些大型的土木工程结构，如大型桥梁的桥墩、桥梁及桥面板、隧道、大型简体及壳体结构等，采用原有的传统加固方法几乎无法实施，而采用该技术都可以很顺利的解决。

 

    （4）施工便捷。施工工效高，没有湿作业，不需要大型施工机具，无需现场固定设施，施工占用场地少。

    （5）施工质量容易保证。

    （6）对结构无额外的负担。纤维材料质量轻而且很薄，加固修补后，基本不增加原结构自重和原构件尺寸。

 

    芳纶纤维复合材料作为纤维增强塑料的一种，除了具有上述优点外，还具有独有的特点：具有良好的抗冲击和耐疲劳性能，良好的介电性（非导电性、非磁性）等，因此人们越来越多地采用外粘芳纶布补强加固结构。

 

    目前应用于结构补强的外粘芳纶纤维布有养护的纤维条带和未经养护的纤维布，经养护的纤维条带通常0．5 ~1．5mm厚，50~200mm宽，由单向纤维经环氧基树脂浸渍而成。未经养护纤维布的名义厚度通常小于lmm，由单向或双向纤维丝构成，采用高性能的环氧粘结剂粘结在构件外表面。

 

 

    外粘芳纶纤维布首先应用于钢筋混凝土桥的抗弯补强和约束钢筋混凝土柱中，此后外粘芳纶布补强加固技术迅速扩展到砌件结构，木结构乃至金属结构。

 

 

    当混凝土结构构件不能提供足够的抗弯强度和使用性能时，必须进行加固，此时可选用外粘芳纶纤维布进行补强加固。在梁、柱、板的受拉面粘贴芳纶纤维布，同时使芳纶纤维丝方向与主拉应力方向平行 ，可明显提高梁、柱、板的受弯承载力，并且同时使梁、柱、板裂缝开展受到约束，从而提高构件的抗弯刚度，降低挠度。

 

    对芳纶纤维布补强加固混凝土构件进行分析设计的中心环节是确定构件的失效（破坏）模式。芳纶纤维布抗弯补强混凝土结构存在下述几种失效模式：

    （1）纵筋（钢筋）屈服芳纶纤维断裂；

    （2）纵筋（钢筋）屈服混凝土压碎；

    （3）混凝土压碎；

    （4）由于混凝土的剪切失效，芳纶纤维片材端部剥离；

 

    （5）由于混凝土的剪切斜裂缝造成芳纶纤维片材的剥离（远离片材端部）；

    （6）由于粘结界面的拉应力很高，发生的芳纶纤维片材端部或弯曲裂缝处剥离；

    （7）由于混凝土表面不平和粘结不当造成的芳纶纤维片材从混凝土粘结面剥离。

 

    上述破坏模式（2）是令人最为满意的破坏模式，模式（4）和（5）可通过抗剪补强加以防止，模式（6）可通过限制芳纶纤维布的拉应变加以抑制，模式（7）可通过施工质量控制加以解决。设计中不考虑芳纶纤维布与混凝土之间的相对滑移。

 

 

    在梁、柱的剪压区段内横向包裹芳纶纤维布可抑制斜裂缝出现或开展，明显提高构件的抗剪强度，提高梁、柱的刚度、延性和抗震耗能能力。芳纶纤维布加固后的试件最大承载力均发生在芳纶纤维布剥离后、拉断前，在此过程中，芳纶纤维布承担的剪力不断增大，使总剪力仍然保持在较高的水平，改善了构件变形能力。芳纶纤维布加固量越大，试件延性越好。采用芳纶纤维布加固混凝土柱，可防止斜裂缝出现或限制斜裂缝开展，显著提高柱的受剪承载力，实现强剪弱弯的抗震要求，同时芳纶纤维布对提高高轴压比试件延性的作用更加明显。包裹方式分为间隔包裹、连续包裹；封闭包裹、非封闭包裹；采用夹具锚固包裹和非夹具锚固包裹等。

 

    芳纶纤维布对抗剪强度的贡献取决于破坏模式。当发生芳纶纤维布剥离破坏时，其有效应变远低于极限拉应变；即使发生芳纶纤维布断裂破坏，其有效应变也低于极限拉应变。因为不论何种破坏模式，均有局部发生剥离破坏，因此精确地计算芳纶纤维布对抗剪强度的贡献非常困难，故确定芳纶纤维布的有效应变是进行抗剪强度计算的关键环节。对于芳纶纤维布补强矩形截面混凝土构件，其有效应变随混凝土抗拉强度的减小和纤维布轴向刚度（芳纶纤维布的配筋率与其弹性模量的乘积）的增大而减小；当芳纶纤维布的纤维丝方向垂直于钢筋混凝土构件的轴线方向时，由于斜裂缝扩展导致骨料间咬合力降低，从而使混凝土对构件抗剪强度的贡献随之减小，因此芳纶纤维布的有效应变应限制在0．004~ 0．005的水平。对于芳纶纤维布抗剪补强圆形截面混凝土柱，其有效应变可近似取0．004。

 

 

    混凝土是目前土木工程中应用最广的建筑材料之一， 它主要的特点是抗压强度高，脆性大，而且混凝土强度越高，其脆性越大，但在三向受压的复杂应力作用下其强度、变形性能均有很大的提高。混凝土在轴向荷载作用下，历经微裂缝形成、发展、扩大，横向变形加大，进而形成较大的宏观裂缝，宏观裂缝继续发展以至于混凝土破坏全过程。在整个过程中，混凝土泊松比最大为50%。因而，通过约束限制混凝土横向变形的发展是增强混凝土强度与延性的一种有效途径，这完全可以通过在混凝土构件外包裹芳纶纤维布来实现。当混凝土构件轴心受力时，其横向应变发展受到外包芳纶纤维布的限制。正是由于核心混凝土与外包约束层在受力过程中的这种相互作用，使混凝土材料本身性质发生了变化，即强度得以提高，塑性和韧性性能得以改善。

 

    芳纶纤维布约束混凝土作用要好于碳纤维布约束混凝土。芳纶纤维一个显著优于碳纤维的特点是其破坏为非脆性，破坏前出现颈缩，征兆明显；同时高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作，这些性能使芳纶纤维在遭受强烈冲击时能有效的吸收轴向应变能和纵向动能，因此，在地震荷载或冲击荷载作用下芳纶纤维布约束混凝土特别是约束高强混凝土的延性及韧性要明显高于碳纤维布约束混凝土特别是约束高强混凝土的延性及韧性。因此，芳纶纤维复合材料在对构件韧性和延性要求高的抗震结构、抗冲击和耐疲劳方面要求高的工程结构的应用比碳纤维复合材料有较大的优越性。

 

    用芳纶纤维布横向包裹钢筋混凝土短柱来提高其延性，芳纶纤维布的主要作用体现在两个方面：一方面，芳纶纤维布的作用类似于受剪箍筋，在斜裂缝出现后协助箍筋承受剪力；由于芳纶纤维的抗拉强度远大于箍筋的抗拉强度，所以这种作用十分明显。钢筋混凝土短柱用芳纶纤维布包裹后，相当于增加了配箍率，使其抗剪承载力得以提高，从而有可能使试验柱在外荷载作用下发生具有一定延性的正截面受弯破坏，而非脆性的斜截面受剪破坏，破坏形态的变化直接决定了构件变形性能的改善。另一方面，受压区混凝土的破碎，充分发挥了纵向钢筋的塑性变形性能，显著改善了构件的延性。芳纶纤维布的第二种作用只有在构件发生具有弯曲破坏特点的破坏形态时，才会处于主导地位。钢筋混凝土短柱变形性能的改善，关键在于破坏形态的转变。因此，芳纶纤维布通过协助箍筋共同承受剪力来提高构件变形能力是其主要作用。

 

 

    国内外已应用外贴芳纶纤维布对桥梁、道路、隧道、建筑物或构筑物等多种混凝土结构构件进行了补强加固 。

 

 

    由于芳纶纤维具有极佳的耐腐蚀性及耐久性能，具有优良的耐热化学性，能耐大多高浓的无机酸，耐碱稍差些，对其他化学试剂，有机溶剂十分稳定。实验表明，用芳纶纤维布加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性及耐久性，可以抗拒建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。使用该种加固修补方法对结构进行处理后，节省大笔维修费用，而且其本身可以起到对内部混凝土结构的保护作用，达到双重加固修补的目的。因此可利用芳纶纤维布加固各类防护工程，如潜艇基地、湿度较大的隧道、坑道工程，其构件抵抗腐蚀的能力将会显著提高，使构件具有良好的耐久性能，且粘贴芳纶纤维布的胶有一定的防水能力。海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出，对于钢结构更是如此，因而采用抗腐蚀性能良好的芳纶纤维可以很好地解决该问题，所以芳纶被应用于海洋结构和近海结构具有很好的发展前景。

 

 

    芳纶纤维布一个重要的优异特性是长久热稳定性，它可在220℃高温下使用l0年以上，其使用寿命高于一切工业有机纤维。在260℃条件下，加热1 000h，芳纶纤维布的机械强度仍能保持原来的65%～ 70%，在火焰中难以自燃，即使点燃后移开火焰也会自熄；并且芳纶材料吸收冲击波效率高、隔爆性能好。同时毒性试验也表明：芳纶不会对生产者和使用者造成明显的健康危害，芳纶在温度高达400℃时仍无CO、CO₂和HCN等有毒气体产生，在800℃时才可测得1% 的HCN、13%CO和15%CO₂产生。芳纶纤维布加固混凝土结构后，高温条件下，表面芳纶纤维布覆盖层的力学性能几乎没有改变。这从一定程度上提高了结构整体的防火能力。由芳纶纤维布优良的耐高温性能可见，它更适合用于对结构有特殊耐高温要求的工业车间，如炼钢厂，玻璃生产厂房，以及各种高温厂房。

 

 

    芳纶纤维的抗冲击和耐疲劳性能要大大优于碳纤维。芳纶纤维的抗冲击性能应归功于它优异的热稳定性、高结晶性、高取向及高拉伸性能。玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在强烈冲击所产生的高温下，仍能保证受冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了高的波动速率及对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作，这些性能使芳纶纤维在遭受强烈冲击时能有效的吸收轴向应变能和纵向动能；芳纶纤维另一个显著优于碳纤维的特点是其破坏为非脆性，破坏前出现颈缩、因此有明显征兆。因此，芳纶纤维复合材料在对构件韧性和延性要求高的抗震结构、抗冲击和耐疲劳方面要求高的工程结构的应用比碳纤维复合材料有较大的优越性。对于在通航河流中建造的桥墩，设计时要考虑船只撞击这种偶然荷载，有时洪水也可能携带大量的漂浮物对桥墩造成撞击；对于城市立交桥，由于桥下一般有车辆通过，但受净空限制，很多立交桥会限制一些车辆的通过。这也经常会出现超高车辆对桥梁造成碰撞，导致梁变形、损坏；此外，对各类防护工程，如潜艇基地、湿度较大的隧道、坑道工程等，芳纶纤维布极其优良的抗冲击性能，非常适合对这些有防撞要求的结构进行加固、形成防护，使构件不至于立即破坏，减少不必要的损失。而在军事工程、防爆工程等方面，芳纶纤维布约束混凝土也可综合发挥其抗冲击性能好及高强混凝土强度高的特点，具有很大的应用潜力。

 

 

    从上世纪80年代起，一些发达国家开始制定土木工程用芳纶复合材料的规范与标准。下面简要地介绍一下日本、美国、欧洲和中国有关芳纶复合材料的规范和标准。这些规范和标准既适用于芳纶复合材料（布）对旧有结构进行加固修复，又适用于新建结构。

 

 

    从上世纪80年代起，日本投入大量的人力、物力和财力，加紧制定外贴芳纶纤维布补强混凝土结构设计与施工指南。1995年Hyogoken—Nanbu地震后，对于钢筋混凝土桥墩和钢筋混凝土柱越来越多地采用外粘碳纤维布进行抗震补强加固，同时采用芳纶纤维布进行补强加固技术也获得了发展。针对芳纶纤维布补强加固公路桥墩和铁路高架桥柱的设计指南有：

 

    （1）采用芳纶纤维布补强钢筋混凝土桥墩设计和施工指南（以下简称DCGRCAFRP， 日本公路协会）；

    （2）应用芳纶纤维布抗震补强铁路高架桥柱设计与施工指南 （以下简称DCGRVCAFRP， 日本铁道技术研究院）。

 

    DCGRCAFRP和DCGRVCAFRP两个标准包括芳纶纤维布对抗剪强度和延性贡献的计算公式。对于房屋建筑中的柱子和地铁中的大柱以及桥面板的设计与施工也制定了类似的标准。日本混凝土协会发展了纤维片材的标准试验方法，该标准试验方法包括纤维片材的抗拉性能实验测定以及粘结强度实验测定。

 

 

    美国对于纤维增强混凝土结构进行了长期连续的研究。从上世纪80年代开始，由于美国国家科学基金和联邦公路管理委员会的资助，加速了对该领域的研究与开发。1991年美国混凝土协会创建了440委员会，即纤维增强塑料加固委员会，该委员会（ACI440委员会）于1996年出版了纤维增强塑料补强混凝土结构发展水平报告。此后，ACI 440委员会推出了新标准，2001年获得了技术活动委员会批准，该标准包括：（1）外粘纤维增强塑料系统补强混凝土结构设计与施工指南；（2）混凝土结构的纤维增强塑料耐久性。

    上述规范与标准中的纤维增强塑料通常包括：碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维增强塑料。

 

 

    欧洲从20世纪60年代开始进行关于纤维增强塑料应用的研究。1993年建立了欧洲合作研究计划，该计划于1997年结束，旨在研究纤维增强塑料增强混凝土结构，参与者包括英国、瑞士、法国、挪威和荷兰。国际混凝土结构联盟93工作组，即纤维增强塑料增强混凝土结构工作组于1993年成立。93工作组又分成如下几个小组：材料测试小组，纤维筋混凝土小组，预应力纤维筋混凝土小组，外粘纤维增强塑料小组，市场营销和应用小组。该工作组由从事纤维增强塑料补强混凝土结构研究的大学，研究院和公司构成， 目前已完成了纤维增强塑料增强钢筋混凝土结构设计指南发展公告。在英国，结构工程师协会出版了关于纤维增强塑料补强钢筋混凝土结构临时设计指南 ，该指南没有介绍纤维增强塑料预应力混凝土结构和外包纤维增强塑料增强混凝土结构，同时该指南以英国相应的设计规范为基础，采用的设计方法与日本、美国的标准类似。

 

 

    从上世纪90年代中期起，我国开始着手进行FRP补强加固技术的研究。国内许多实力较强的科研院所和大学纷纷开展碳纤维布补强加固混凝土结构、砌体结构的研究，并取得了多项研究成果。在短短的几年时间里，制定并颁布了外贴碳纤维布补强加固混凝土结构的技术标准。然而对芳纶纤维复合材料补强加固技术的研究，目前尚处于起步阶段，积累的实验数据、工程经验较少，因此编制芳纶复合材料增强结构构件规范与标准的条件还不完备，北京交通大学对已出版的中、美、日芳沦复合材料加固混凝土结构相关标准进行了研究，指出我国标准存在的问题，所以我国应加紧制定符合国情的有关芳纶复合材料加固补强技术的设计和施工规范与标准。

 

 

    芳纶纤维复合材料在土木建筑领域的应用是一个全新的技术。与传统的加固修补技术相比，外粘芳纶纤维布加固修补技术具有明显的技术优势。本文回顾了外粘芳纶纤维布补强加固技术的发展历程，对芳纶纤维布在工程中的应用进行了归纳与分类，进一步介绍了日本、美国、欧洲和中国有关芳纶纤维复合材料加固补强技术规范与标准。

 

    尽管目前在土木建筑领域中应用芳纶纤维材料价格较高，但综合材料成本、施工成本、使用成本，是可行的，而且在施工完成后防腐性、轻量化方面，纤维增强材料更好；因此，对此项技术的研究开发具有重要的工程应用价值。随着对芳纶纤维复合材料研究的逐步深入，产量的增加和成本下降，其在土木工程领域必将有广泛的应用前景。

 

    外贴芳纶纤维布补强加固混凝土技术引起了人们越来越广泛的关注，然而该项技术还存在下述问题需要进一步解决。

    （1）芳纶纤维布体系（特别是粘结剂）防火方法；

    （2）高温时芳纶纤维布补强混凝土构件的性能；

 

    （3）低温下芳纶纤维布补强混凝土构件的性能；

    （4）芳纶纤维布和构件层间热膨胀偏差系数；

    （5）芳纶纤维布徐变行为和耐久性能；

    （6）恶劣环境下芳纶纤维布的强度和刚度；

 

    （7）混凝土强度对芳纶纤维布补强构件性能的影响；

    （8）芳纶纤维布抗弯、抗剪补强混凝土构件的长期性能；

    （9）混凝土对芳纶纤维布补强构件抗剪强度的贡献；

    （10）芳纶纤维布的有效应变；

    （11）锚固性能，如：粘结特性和粘结强度；粘结徐变破坏和耐久性；粘结的疲劳特性、热膨胀系数、抗剪强度和抗压强度等。