（材料加工工程专业论文）碳纤维筋增强混凝土的试验研究及力学性能分析.pdf

碳纤维筋增强泥捌十的试验研究发力学性能分析 摘要 摘要 碳纤维增强塑料筋( c f r p ) 是一科t 新型复合材料，具有比强度高、耐腐蚀性 能好、抗疲劳性能好、非磁性等独特优点。因此，在混凝土结构中用c f r p 筋代 替钢筋，可以有效的克服钢筋的腐蚀问题，提高结构的耐久性。 本文对南京某专业碳纤维制造厂所生产的碳纤维塑料筋进行了一系列试验 研究。在试验中，首先对碳纤维塑料筋锚固系统进行探索性研究，研制出一种新 型楔块式锚具：在此基础上分别进行了碳纤维塑料筋的拉伸试验和剪切试验研究， 得出碳纤维塑料筋的拉伸强度和剪切强度；随后对其在混凝土、环氧树脂和水泥 浆中的粘结性能进行了深入研究，分别得出了碳纤维塑料筋在这几种介质中的粘 结强度，并对实验数据进行了分析，得出碳纤维塑料筋在混凝土中的基本锚固长 度为2 5 倍碳纤维筋直径：最后，对采用碳纤维塑料筋作为受拉主筋的普通混凝土 梁在三分点竖向载荷作用下的抗弯性能进行了试验研究，对试验中梁试件的承载 力、挠度和裂缝开展情况等进行了分析，并对挠度计算公式中的有效惯性矩系数 进行了修正。 虽然本文通过试验所褥出的结论主要针对所研究的缠绕型碳纤维螺纹筋，但 是相关的研究方法、部分结论、建议和公式同样可以为类似研究所参考、借鉴， 为今后碳纤维塑料筋的进一步研究奠定一定的基础。 关键词；碳纤维增强塑料筋( c f r p 筋) ：力学性能：锚固系统；抗拉强度；粘结强 度：开裂载荷：配筋率；抗弯极限承载力；挠度。 碳纤维筋增强混凝：七的试验研究及力学性能分析 摘要 a b s t r a c t c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c st e n d o n si sak i n do fn e w - t y p ec o m p o s i t et h a t o f f e r s s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s o v e rc o n v e n t i o n a l r e i n f o r c i n g ，n a m e l y ，h i g h t e n s i l e s t r e n g t h t o w e i g h tr a t i o ，e x c e l l e n t c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，h i g hf a t i g u es t r e n g t h a n d n o n m a g n e t i c a s ar e s u l t ，r e p l a c i n gs t e e lb a rw i t hc f r pi nr e i n f o r c e m e n tc o n c r e t em a y e f f e c t i v e l yo v e r c o m e c o r r o s i o no fs t e e lt e n d o na n di n c r e a s es t r u c t u r a ld u r a b i l i t y t h i sp a p e rd e s c r i b e sas e r i e so fe x p e r i m e n t sa b o u tt h ec f r pt e n d o n s p r o d u c e db y af a c t o r yi n n a n j i n g t h ee x p e r i m e n t i n c l u d e sf o u r p a r t s i nt h e f i r s t p a r t ，w e r e s e a r c h e dt h ea n c h o r a g e s y s t e mo f c f r pa n dm a d eak i n do f n e w - t y p ew e d g e a n c h o r o nb a s eo ft h a tw et e s tt h et e n s i l ep r o p e r t ya n ds h e a rp r o p e r t yo fc f r p t e n d o n s ，g e t t h et e n s i l e s t r e n g t h a n ds h e a r s t r e n g t h i n t h es e c o n dp a r t s ，w et e s t e dt h eb o n d c h a r a c t e r i s t i co ft h ec f r pt e n d o n sw i t hc o n c r e t e ，e p o x yr e s i na n dc e m e n tg r o u ta n d g o tt h eb o n ds t r e n g t hc o r r e s p o n d i n g l y b a s eo nt h e s ed a t a ，w es u g g e s t e dt h a tt h eb a s i c a n c h o r i n gl e n g t hw a s2 5t i m e so fc f r pd i a m e t e r a tl a s t ，w er e s e a r c h e dt h eb e n d i n g s t r e n g t ho fc f r p t e n d o nc o n c r e t eb e a m s ，a n a l y z e dt h ef u n c t i o no f b e a r i n g ，d e f l e c t i o n a n dc r a c ko f t h e b e a m s ，c o l t e c t e dc o e f f i c i e n to fi n e r t i a lm o m e n ti nf l e x i b i l i t yf o r m u l a r t h ec o n c l u s i o no ft h ep a p e ri sa b o u tt h ee n w i n d i n gt y p eo fc f r pt e n d o n sw e s t u d i e d ，b u tt h ei n t e r r e l a t e ds t u d ym e t h o d s ，s o m ec o n c l u s i o n ，a d v i c ea n df o r m u l ac a l l b ec o n s u l t e di ns i m i l a rr e s e a r c h e s i nt h el a t t e rr e s e a r c ha b o u tt h e a p p l i c a t i o no fc f r p t e n d o n si nc o n c r e t es t r u c t u r e s ，t h i sp a p e rw i l lg i v es o m eb a s i ca d v i c e k e y w o r d s ：c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s t e n d o n s ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； a n c h o r a g es y s t e m ；t e n s i l es t r e n g t h ；b o n ds t r e n g t h ；c r a c k i n gl o a d ；r e i n f o r c e m e n tr a t i o ； u l t i m a t eb e n d i n g c a p a c i t y ；f l e x i b i l i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者。签名，：歪丝毫堑圣瓣；月髫日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 敝作者。：缢监亟衙。月翊日 堡堑竺堑塑型塑鳖圭塑堕墅j 型壅丝生兰壁堂坌堑! 三墨 1 1 引言 第一章绪论 由于混凝土价格低廉、抗压能力强和具有良好的耐久性能，使得近一百多年 来混凝土结构得到了广泛的应用。我国每年混凝土用量约1 0 1 0 m 3 ，钢筋用量约 2 1 0 7 t ，规模之大，耗资之巨，居世界前列【l l 。钢筋混凝土结构如果结构设计得当、 构造合理、施工质量可靠，在正常环境条件下可具有良好的耐久性。但是当上述 条件不满足时，常常会因为钢筋的锈蚀而影响结构的使用性能和耐久性，特别在 一些恶劣的环境中，结构处于高应力状态时尤为严重。强腐蚀介质和高应力的共 同作用，使钢筋生锈，保护层剥离，导致钢筋混凝土结构提前破坏，若发现处理 不及时将导致灾难的发生。 据国外资料介绍1 2 j ，美国每年因钢筋腐蚀造成的损失高达2 0 0 亿美元，上世纪 5 0 年代前建造的桥梁，大部分因钢筋锈蚀而严重破坏，目前有近1 0 万座桥梁的钢 筋严重腐蚀。英国建造在海洋及含氯化物介质环境中的钢筋混凝土结构，因钢筋 锈蚀需要重建或更换钢筋的占j 三分之一以上。在同本，由于较多地区采用海盐作 为混凝土中的细骨料，钢筋锈蚀也成为一个严重问题。研究机构对冲绳地区1 7 7 座 桥梁的调查表明，桥面板和混凝土梁的损坏率达到9 0 以上。我国在1 9 8 1 年对华南 1 8 座钢筋混凝土码头的调查表明，尽管使用期仅7 1 5 年，但有1 6 座码头的钢筋发 生严重锈蚀。1 9 8 4 年河海大学对浙江镇海的2 2 座中小型沿海水工建筑物进行了调 查发现：9 6 7 根构件中由于钢筋锈蚀导致出现顺筋裂缝而破坏的有5 3 8 根。所有这 些国内外的事例激发研究人员投入很大的精力来修改工程设计、施工技术及应用 新材料来提高混凝土的寿命。 为解决钢筋锈蚀问题，国内外学者早在6 0 年代就开始研究对策，先后提出了 一些措施1 3 ：( 1 ) 在钢筋混凝土表面涂敷防水涂料，阻隔并防止腐蚀介质渗透到混 凝土中；( 2 ) 提高钢材自身的防腐性能，开发耐腐蚀的钢筋，如不锈钢钢筋等：f 3 ) 开发新型纤维增强塑料筋、纤维塑料薄板等；( 4 ) 开发新型涂层钢筋，如镀锌钢筋、 镀铝钢筋、环氧涂层钢筋等：( 5 ) 利用电气防腐方式，防止钢筋锈蚀：( 6 ) x l 大混凝 土保护层厚度，增大外界腐蚀介质渗入到钢筋的距离，延缓碳化；( 7 ) 在混凝土中 掺加可以提高钢筋防腐性能的阻锈剂等。在经过4 0 多年的分析、研究后国外学者 认为，纤维塑料筋和环氧涂层钢筋是比较行之有效的，这两种材料无论从防腐性 能、经济性、施工性还是从生产的难易程度来看，都已达到或接近实用阶段。 碳纤维增强塑料筋c f r p ( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 在航天、航空、船 舶和汽车等领域中已得到成功的应用，它具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好、材 料可设计性强、成型方便以及价格不断下降等优点，使其有可能代替钢材而被应 型堑丝堑塑型塑型：! 塑苎堕型塑丝垄兰些生坌塑一。量二兰 用于诸如管线、桥梁、桩、近海结构等土木工程。这一发展趋势已为土木工程界 和复合材料界所接受，并成为2 1 世纪研究的热点。 1 2 碳纤维塑料筋国外研究发展概况 在美国，用- 丁二混凝土结构中的纤维塑料筋f r p ( f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s ) 的研 发工作开始于上越纪6 0 年代，当时的主要目的是为了解决路桥用盐解冻所造成的 混凝土内钢筋严重锈蚀问题。到了8 0 年代，康奈尔等部分院校已经进行了以玻璃 纤维塑料筋g f r p 筋( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 作为预应力筋的梁体试验并开 发出了玻璃纤维塑料筋以及与之配套的锚具和连接装置j 。近年来各学会广泛开展 c f r p 筋混凝土研究活动，美国土木工程师学会a s c e ( a m e r i c a ns o c i e t yo fc i v i l e n g i n e e r s ) 在收集c f r p 情报的基础上，开始筹备结构构件的设计、施工标准；美国 混凝土协会a c i ( a m e r i c a nc o n c r e t ei n s t i t u t e ) 4 4 0 委员会把c f r p 筋混凝土纳入普通 增强混凝土、预应力混凝土、新施工法及加固工程中，并制定了相应的设计、施 工规范( 试行) ；美国测试与材料学会a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t y f o r t e s t i n g a n d m a t e r i a l s1 则制定了相应的c f r p 筋材料标准试验方法和材料规格1 5 j 。 日本开始采用f r p 配筋的历史始于7 0 年代，生产工艺采用试配法。到了8 0 年代，利用成束连续纤维浸渍在基底材料( 如树脂等) 中，在专门的模具中挤拉成 型f r p 筋，之后又开发了多种形式的f r p 筋。在日本使用最多的是c f r p 筋， 其次是芳纶纤维筋a f r p ( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 和g f r p l 6 j 。 日本是第一个在混凝土桥梁中采用c f r p 绞线作为桥梁预应力筋的国家【”。 1 9 8 8 年，c f r p 绞线首先在日本2 4 9 号国道，在位于石j i l 县的先张预应力混凝土公 路桥新宫桥上作为预应筋应用。该桥所用的c f r p 绞线公称断面面积7 6 m m 2 ， 重15 8 k g k m ，弹性模量为1 3 2 l o 1 4 7 1 0 5 m p a 。生产c f r p 绞线厂家保证的破 断力p 。为1 3 7 k n 张拉时、锚固后及使用前载荷作用下容许拉力分别为0 6 p 。0 5 5 p 。 和0 4 5 p 。1 9 8 8 1 9 9 2 年，日本应用c f r p 材料作为预应力混凝土桥的力筋修建了 一系列桥梁，为了探求c f r p 筋预应力混凝土构件的承载力和耐久性。还做了大量 静载和疲劳试验。 在日本以碳纤维为中心的高性能纤维生产量最多i 5 j ，其c f r p 筋成型技术在 世界上也处于领先地位。日本现己开发出各种形式碳纤维复合材料，包括c f r p 筋( 圆形筋、方形筋、表面变形筋) 、c f r p 绞线、三维和平面格栅筋、片材、板材 等。日本建设省及各土木工程协会十分重视c f r p 筋的应用开发，8 0 年代初就成 立了以c f r p 筋研究开发为主的协会。公路、铁路、海港、市政等工程研究部门 还设立专项基金资助c f r p 筋的研究和开发。c f r p 片材是1 9 8 7 年作为一种抗震 材料提出的，1 9 9 5 年神户大地震之后， c f r p 片材的研究和应用得到快速发展， 研究部门还编制了相应的设计施工规范，例如由日本土木工程协会颁布连续纤 磺纤维筋增强混凝士的试验研究发力学性能分析 第一章 维筋混凝土结构设计规范，使c f r p 筋的设计施工逐步规范化，施工实例也逐 年增加，到1 9 9 5 年止，施工实例达1 6 件p j 。 欧洲对f r p 筋在混凝土结构中应用的广泛研究起步于7 0 年代中期。1 9 7 8 年德国施屈劳柏建筑公司与拜尔化学厂合作制成了名为p o l y s t a l 的玻璃纤维筋和 后张预应力锚具，并将其用在德国和奥地利两国的几座桥梁上。1 9 8 6 年，德国建 成世界上第一座后张法预应力悬索f r p 桥。1 9 9 1 年德国工厂区，座后张预应 力混凝土高速公路桥的部分力筋采用了c f r p 绞线。这座梁式桥长约8 0 m ，宽 1 1 2 n l ，4 束1 9 中1 2 5 n l n l 的c f r p 绞线组成大型预应力束，采用楔形系统锚固在 粱上。c f r p 绞线在设计载荷下的允许拉力为0 5 p 。，且桥的力筋未进行灌浆，以 便使用中进行质量检查和数据采集。在欧洲，c f r p 主要应用是桥梁结构，苏黎 世的材料测试与开发研究院曾开展外贴c f r p 片材的研究工作，近期的研究工作 主要集中在c f r p 筋的使用上。1 9 9 1 年1 1 月1 9 9 6 年底，德国、荷兰的几个大 学合作进行了名为“b r i t e e u r a m ”的项目。1 9 9 3 年1 2 月1 9 9 7 年底，英国、 荷兰、瑞典、法国、挪威合作研究了“e u r o c r e t e ”项目恻，在该项目中建造了 两座步行桥，座在英国牛津附近的c h a l g r o v e ，另一座在卡塔尔，为码头停泊设 施的步行桥。1 9 9 7 年，来自欧洲不同国家的1 1 个科研队伍开展了名为 “c o n f i b e r c r e t e n e t w o r k ”的合作项目。 在加拿大，近年来加强了与美、日、欧等国c f r p 筋领域的研究合作，相继 建造了b o d d i n g t o n st r a i l 等实用试验桥，并制定了c f r p 筋混凝土高速公路桥设 训标准 l q o 其中第一座预应力公路大桥是中央大街大桥，由c f r p 预应力绞线作 为预应力筋的大梁组成。这座桥在1 9 9 4 年完工，两跨斜拉式结构使活载荷均布。 这座桥的两跨跨度分为2 2 8 3 m 和1 9 2 3 m ，每跨由1 3 根圆头t 形预制梁与一块 1 5 0 m m 厚的现浇板组成d 2 i 。 由于美国、日本及西欧等国开始碳素等连续纤维在土木工程中的应用技术研 究较早，近年来更是取得惊人发展，工程实例逐年增多。应用范围包括桥梁、海 工构筑物、非磁性建筑等工程中，其中在桥梁方面应用实例最多，跨度不断增大， 设计及施工方法也日益成熟化、规范化，显示出了强劲的生命力。 1 3 碳纤维塑料筋国内的研究发展概况 国内从9 0 年代后期开始研究碳纤维复合材料加固钢筋混凝土结构，所用的材 料主要是单向碳纤维织物或片材，应用领域主要是混凝土结构的加固为主。2 0 0 0 年6 月，在北京成立了中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会纤维增强塑 料( f r p ) 及工程应用专业委员会，并召开了“首届纤维增强塑料混凝土结构学术会 议”，出版了中国纤维增强塑料( f r p ) 混凝土结构学术交流会论文集：2 0 0 1 年8 月，在青岛召- 丌：了“中国土木工程学会f r p 及工程应用委员会会议”：2 0 0 2 年7 碳纤维筋增强混凇七的试验训，及力学盹能分析 第一章 月，在昆明又召丌了“第二届土木工程用纤维增强复合材料应用技术学术交流会”。 通过学术交流促使纤维增强复合材料在土木工程建设中的研究、应用以前所未有 的规模全面展开，目前用碳纤维布和板材加固混凝土结构的应用实例很多，例如： 人民大会堂，军事博物馆、北京电报大楼、京沈高速公路立交桥等。国家也相应 出台了一系列的规范和标准，中国建设标准化协会标准碳纤维布加固修复混凝 土结构技术规程已经正式出台，这使碳纤维布加固工程有章可循。 近几年国内已经有部分院校在研究纤维筋增强混凝土结构，例如，同济大学 的薛伟辰等【1 3 1 在国内率先开展了g f r p 筋混凝土结构的探索性研究，取得了阶段 性成果。主要成果有：研制生产了国内首批g f r p 螺纹筋和光圆筋；对g f r p 筋 在不同环境介质中的粘结锚固性能的研究；对g f r p 筋普通混凝土梁的受力性能 的研究等。 大连大学的吴寅等 l4 i 通过碳纤维增强混凝土所作的强度试验和碳纤维复合 材料棒材( c b a r ) 增强混凝土梁所作的静载试验，着重探讨了碳纤维筋与混凝土 之间的粘结，c b a r 增强混凝士梁的裂缝及变形，提出了简便的计算公式。 郑卅1 大学的高丹盈等【l5 j 通过对受压区和受拉区混凝土应力应变关系曲线 的简化，建立了纤维增强塑料筋混凝土梁弯距曲率的计算模式，提出了纤维增强 塑料筋混凝土梁弯距曲率的简化计算公式以及相应的载荷挠度的计算公式。 2 0 0 0 年8 月天津地震局和天津人防设计院【1 6 1 进行了一次c f r p 筋混凝土结构 件的现场试验，按照实际工程大小，采用l ：1 的比例，试件设计承载力为6 0k n m 2 。 首先采用大型砝码加载至6 0k n m 2 ，保持载荷3 d ，然后卸载为零；第二次重新加 载至n 5k n m 2 ，保持载荷5 d ，然后再继续加载至1 7 0k n t m 2 ，试件破坏。试验结 果表明碳纤维增强复合材料混凝土的极限抗拉强度是设计值的3 倍。 东南大学的吕志涛、吴刚等m 对碳纤维复合材料加固混凝土梁受弯破坏特 征、梁极限承载力、刚度等的影响进行了研究与分析，提出了相应的设计方法与 建议供工程参考。 山东建筑工程学院的徐新生、彭亚萍等对碳纤维板材加固混凝土梁提出了 比较合适的设计和施工方法，为大量推广该加固技术提供了极为宝贵的经验。 受水利部科技创新项目资助，河海大学常州校区l 伸】进行了碳纤维增强水泥基 材料性能的试验与理论研究，主要进行短切碳纤维增强水泥的试验研究，解决了 碳纤维在水泥基体中的均匀分散问题，试验测出了复合材料的抗压强度与碳纤维 渗量的关系，劈拉强度与碳纤维渗量的关系，劈拉强度与碳纤维长度的关系。试 验还进行了连续碳纤维对水泥进行增强的研究，考察了碳纤维铺放形式和碳纤维 渗量对基体力学性能的影响。并通过理论分析阐明碳纤维增强水泥的内在机理， 经过数据处理，得出了不同试验条件下，复合材料强度与纤维渗量的拟台曲线。 堕堑堡堑塑堡堡墼主塑堕鳖型壅丝生! ：堡! ! 坌塑 一 一羔! 二二墨 1 4c f r p 筋在土木工程领域的应用情况 在土木建筑领域应用新材料新技术已成为当今世界建筑设计的主流趋势，特 别在些特殊的环境中新材料更是无可替代，能够充分发挥其优异性能。目前 c f r p 筋在土木工程应用情况主要可分两大部分：修复1 日结构和直接用于增强新 结构【2 0 。2 2 1 。 1 4 1 修复旧建筑 对于普通钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构，在其外表粘贴c f r p ，包括 碳纤维布、碳纤维片。施工工艺简单，增强效果明显。这种粘贴技术不但可以有 效地提高混凝土柱、梁、板的抗压强度或抗弯强度和结构表面抗腐蚀能力，而且 几乎没有增加结构的永久载荷。目前粘贴c f r p 在工艺上已经很成熟，国内的应 用也较多。 ( 1 ) 表面裱筋工艺n s mc f r p ( n e a r s u r f a c em o u n t e dc f r pr o d ) l 2 3 - 2 5 t 该工艺方法是将钢筋混凝土构件表面刻出浅槽，槽的大小适合放入c f r p 筋， 将刻好的槽清理干净后，向槽内填入粘结剂，并将c f r p 筋轻轻按压进槽中，使 粘结剂充满筋的四周，然后用粘结剂将槽的表面填平。这种方法对比外贴c f r p 片材来说，与钢筋混凝土构件的粘结锚固更可靠，并且施工时间更短。特别是这 项技术对混凝土梁或混凝土面板进行大跨度的纵向抗弯强度增强很有意义。1 9 9 8 年8 月，在美国p h e l p sc o u n t y 地区成功应用n s mc f r p 工艺对桥j 8 5 7 面板进行 加固。1 9 9 9 年在i r o nc o u n t y 地区3 2 号路对桥0 2 7 0 也进行n s mc f r p 加固，同 样收到了很好的效果。我国对于表面裱碳纤维筋( n s mc f r p ) 工艺研究应用较 少，是未来碳纤维加固的一个很有前途的发展方向。 ( 2 ) 结构翻新 在过去的2 0 年中斜拉桥的发展较快，其最大跨度已达8 9 0m ，但斜拉索的 疲劳、腐蚀问题却日趋严重，换索的事例时有发生。采用c f r p 制成的拉索具有 耐腐蚀、高强度、高弹性模量( 与钢相近) 、耐疲劳等优点。1 9 9 6 年瑞士成功地 在苏黎世附近的斯克多斜拉桥上用2 根c f r p 拉索( 由2 4 1 根直径为5m i n 的 c f r p 筋组成) 换下了原有的2 根镀锌钢丝索，经试验其效果良好【2 6 】。在瑞士提 契诺地区的一座双跨箱粱长度为6 9r i g 的桥，原先有l 根内张预应力钢筋束，因 用盐融冰腐蚀而改用4 根梁体外张拉预应力c f r p 筋替代，经栽荷试验，完全符 合设计要求f 2 0 】。 碳纤维筋增强混凝士的试验究及力学性能分析 第一章 1 4 2 增强新结构新型桥梁体系研究 “) 全复合材料结构体系 全复合材料结构体系主要是指应用碳纤维增强复合材料c f r p 、玻璃纤维增 强复合材料g f r p 、芳纶复合材料a f r p 和混杂纤维复合材料h f r p ( h y b r i d f i b e r r e i n f o r c e dp l a s t i c s ) 建造的结构。目前主要用f r p 建造桥梁的面板、栏杆、梁等 构件，然后组合成复合材料桥。1 9 9 6 年美国洛克希德马丁公司研究和发展部 【2 ”，设计制造了全复合材料高速公路桥的l 4 桥面，其大小为5 5 m 9 1 m ，桥面 用拉挤成形1 0 2 m m 1 0 2 m m 的玻璃钢方管组装成单孔为高7 62 m m 宽9 1 4 4 m m 多孔箱型梁，总质量为】1 3 4 t ，可承受3 2 6 5 9k n 车辆载苟。可以预见将来的复合 材料桥梁可以先在工厂预先制造f r p 型材，然后连接成一体到现场装配，既保证 了质量又省时、省力、省钱。 ( 2 ) 新型c f r p 筋增强混凝土结构体系 伴随着新型结构体系的发展，利用c f r p 的高抗拉强度，加上混凝土的高抗压 强度特性，可以设计出传统结构材料无法比拟的新构件，从而在新建筑结构和材 料方面显示出很强的发展潜力。将碳纤维筋制成像钢筋一样的外形，用来代替钢 筋，形成c f r p 混凝土，在美国s t j a m e s ，m o 地区 2 2 1 ，设计者制造了c f r p 混凝土面 板，纵向受力筋全部为碳纤维筋，箍筋为玻璃纤维筋，用它代替传统的钢筋混凝 土，预制面板高3 0 4 8m m ，宽8 6 3 6i t l m ，长73 1 5 2m m ，此桥共用该复合材料面板 9 块。 ( 3 ) c f r p 圆管混凝土柱体系c s s ( c a r b o ns h e l ls y s t e m ) 2 0 2 2 1 该体系是美国加州大学圣巴巴拉分校u c s b ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a s a n t a b a r b a r a ) 首先设计出的标准复合材料混凝土结构体系，它由混凝土填充碳纤维管、 先进复合材料甲板、抗剪连接器组成。连接组件嵌入到面板和c f r p 混凝土柱中， 桥面板由玻璃纤维增强型材拼接而成，这种结构板在工厂加工，在现场拼装，重 量约为1 0 1 5k n m 2 ，是传统材料桥板的i 4 ，能够有效地减轻桥的重量。经过 试验测试，该结构体系经过2 0 0 1 0 4 次疲劳试验，加载5 6k n ，频率lh z ，结构 强度没有降低，将力加载到4 9 0k n 时组件破环，这是设计屈服强度的8 8 倍，充 分证明了结构的设计可靠性。 ( 4 ) 大跨度悬索桥和斜拉桥体系 要建造跨度超过50 0 0 m 的桥梁，缆索材料只能由c f r p 来承担，对于斜拉桥， 主梁也只能, il l c f r p 来承担。根据有关专家的分析2 8 1 ，当跨度超过40 0 0 m 时，c f r p 就极具有竞争力。实际上，目前碳纤维材料的价格在进一步降低，如再考虑上部 结构自重减轻后施工费用的节省和使用期维修费用的减少，超大跨纤维桥的经济 效益将会更显著。c f r p 在桥梁中的应用，特别是c f r p 绞线和棒材用作预应力筋和 6 碳纤维筋增强混凝_ 十的试验酬= 宄及力学性施分析 第一章 体外筋的实践，为c f r p 用作超大跨桥梁的缆索材料打下应用基础。 1 4 3c f r p 筋工程应用实例 近年来随着c f r p 实用化研究的不断深入，c f r p 筋在道桥、海上平台、非 磁性建筑等领域的应用将越来越多。日本、德国、美国、加拿大等国在该领域的 研究和应用处于领先地位，应用实例较多。我国近几年也开始在一些特殊的领域 应用c f r p 筋。如2 0 0 1 年天津地震局在静海小李庄使用自制的c f r p 筋，成功建 成我国第一座碳纤维筋增强混凝土的构件地磁房【1 叼。全部无磁性建筑共用碳 纤维鲂6 0 0 k g 左右，建筑蕊积1 2 0 m 2 ，图1 1 为天津静海地磁台站地磁房c f r p 筋的现场绑扎图。 图1 1 天津静海地磁房c f r p 筋绑扎图 2 0 0 2 年，河北省地震局在昌黎后土桥修建了一座她磁相对记录室，设计者 吸取天津静海地磁房的经验，节约了材料，同样达到预期的效果。在调研中据地 震局工作人员称：这样的地磁房全国要建造6 0 座，碳纤维筋的使用将为国家节省 】0 0 0 万元。 碳纤维筋用于实际工程标志我国碳纤维筋的研究和发展进入一个全新的发 展阶段。现在我国正值大力进行基础设施建设的时期，从防腐性、经济性以及生 产的难易程度来看，碳纤维塑料筋在桥梁、水工建筑等方面有着很大的应用前景 因此，对其在混凝土结构牛应用的研究有着很大的社会效益和经济效应。表i 一1 列 出了近年来国内外部分具有代表性的c f r p 筋应用实例【2 9 _ 3 3 。 1 5 课题研究的意义 用于土木建筑结构的碳纤维复合材料形式有很多种，国际上主要是长纤维的 c f r p 筋材用量最多，主要包括片材、棒材。片材主要用于结构的加固修复，片 材中的布状材料使用量最大，每年达近2 0 0 万m 2 ，含碳纤维重量约5 0 0 - - 6 0 0 吨， 且技术最成熟，美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了标准规范。c f r p 棒 堕竺丝堕塑型塑型些苎堕型型丝塑兰丝壁竺塑! 二兰 材既可用于结构加固，也可用于新建结构中，由于其良好的耐腐蚀性、极高的耐 疲劳性能及易于施工等性能，近年来其用量正逐渐增加，研究成果也较多，一些 国家已有了! f 式的标准规范。我国c f r p 筋还处于研究探索阶段，在这方面还没 有规范可循。 表1 1c f r p 筋工程应甩实例 项目川途： 程简介 所在国家竣工时间 爱知县翔 主粱全ki i ii t l ，晟大跨沃7 5r r l 宽 日本1 9 9 2 年 桥 36m 东京北高尔建筑大厦主 后张法，跨长1 6 m日本1 9 8 9 矩 夫正门 粱 贝特拉伊鲁主粱 赢张法，2 跨，跨长分别为2 2 8弼拿大1 9 珏年 桥 m 1 92 m ，宽1 1 2 i t i 奥斯特拉犬主粱后张法，4 跨连续长8 l6 5 m ，宽德国 1 9 9 1 年 桥 1 1 2m 大岛地磁观图粱，盏板，非磁性建筑物日本】9 9 2 年 铷所侧墙 s h i nm i y a 桥主粱跨长5 7 i t l日本1 9 9 8 芷 l u d w i g 主粱跨蚝8 5 m德国1 9 9 i 矩 s h a v e n 桥 r a p i dc i t y 桥 主粱跨长9r l l ，宽52 1 1 1 美国 c 9 9 2 年 h e a d i n g l y e 桥 主粱 5 跨跨长3 2 5 m 加拿大1 9 9 6 生 天律静海地 全结构非磁性建筑物，建筑面积1 2 0m 2 中国 2 0 0 1 矩 磁台 河，澎昌黎地蹿粱，翥扳。 棼跨牲建筑，怠建筑面积1 3 8m 2中国2 1 1 0 2 盆 磁室墙柱 苏州莺湖桥主梁3 跨，跨长1 5n l中国2 0 0 0 芷 在应用上，我国c f r p 筋材限于体育、石油、航空领域，在土木、机械制造 领域应用很少。现在只是处于研究阶段，还需要迸一步推广，偶有的凡处应用实 例部属于c f r p 普通增强混礞土构件，考虑的安全系数都很大，而且应用的是 c f r p 筋的无磁性，没有充分发挥c f r p 筋高的抗拉特性，因此研究的潜力很大， 这也是本课题选题的意义所在， 目前，由于对c f r p 筋施加预应力的施工方法受到需寻找合适锚固体系的困 扰，c f r p 在混凝土结构的主要应用仍是作为普通的增强手段。即使c f r p 作为 普通增强材料的应用，仍需进一步完善，例如关于粘结、延性和热稳定的某些问 题仍需研究。 本研究课题将在分析、整理和借鉴国内外研究成果的基础上，对南京某厂家 提供的某种型号碳纤维塑料筋进行材料性能的试验研究、与混凝土粘结性能试验 研究、增强混凝土结构试验研究，为碳纤维塑料筋真正用于混凝土结构设计提供 一些参考依掘。 碳纤维筋增删混凝十的试验研究及力学性能分析 第一章 1 6 课题来源 本研究课题是在所完成的水利部科技创新项目碳纤维增强复合材料混凝土 性能理论和试验研究( s c x 2 0 0 0 。5 8 ) 的基础上进行的更深入的研究。 1 。7 本文主要研究内容 ( 1 ) 探索碳纤维塑料筋树脂粘结型锚具和夹具的制作方法，在总结国内外研 究成果的基础上，研制出一种新型楔块式锚具，为下一步拉伸试验和将来进行预 应力混凝土梁的试验研究做准备。 ( 2 ) 应用研制的新型楔块式锚具，对缠绕型碳纤维螺纹筋进行拉伸试验；参 考玻璃纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法和金属材料机械性能试验方法进行 剪切试验。观察纤维筋断裂特征，得出拉伸强度、弹性模量和剪切强度等材料特 性，为下一步碳纤维筋拉拔试验和增强混凝土梁试验作准备，并将这些信息反馈 给生产厂家，以利改进产品。 ( 3 ) 在不同介质( 混凝土、环氧树脂和水泥浆) 中对碳纤维塑料筋的粘结性 能进行拉拔试验，测试碳纤维筋的粘结强度，探讨粘结应力影响因素，在混凝土 介质中建议c f r p 螺纹筋基本锚固长度为2 5 倍碳纤维筋直径。 ( 4 ) 对碳纤维螺纹筋普通增强混凝土梁进行弯曲试验，观察测试混凝土梁的 裂缝发展情况，剪切段裂缝扩展情况，c f r p 筋变形情况，初裂载荷，极限承载 力，中点挠度，混凝土应变情况等，并对测试结果进行分析研究，提出碳纤维螺 纹筋的挠度修正公式。 璧丝堡堑望婴塑墼主塑苎笙型塑丝塑兰丝壁! ! 塑翌! 墨 第二章碳纤维筋的制备和基本特性 2 1c f r p 筋的制备 2 1 1 原材料 f i l p 纤维增强塑料筋是由多股连续纤维丝通过基底材料进行胶合后，再经过 特制的模具挤压和拉拔成型的。其中连续纤维起加劲作用，现在应用较多的主要 有三种：玻璃纤维( g l a s sf i b e r ) 、碳纤维( c a r b o nf i b e r ) 、芳纶纤维( a r a m i df i b e r ) ， 因此根据纤维种类的不同，f r p 筋相应有3 种：玻璃纤维增强塑料( g f r p ) 、碳纤 维增强塑料( c f r p ) 、芳纶纤维增强塑料( a f r p ) 。在结构工程中，f r p 材料中纤维 的体积含量一般为6 0 6 5 ，重量比约占7 0 8 0 ，纤维含量越高，f r p 的强 度也越高，但挤压成型时就越困难。 基底材料主要起粘结和传递剪力作用，给纤维提供横向支撑，保护纤维免受 周围环境的物理和化学腐蚀。基底材料也用来改变纤维筋的物理性能，在选择基 底材料时，需要考虑基体的些重要物理性能，如刚度、强度、断裂韧性、导热 导电能力、正常工作时的最高温度、热膨胀系数、加工温度和加工过程中引起的 化学收缩大小、与纤维的浸渍能力和粘结力、耐火性能以及对环境因素的敏感性 等。目前应用比较多的主要有环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等。 本文所用的c f r p 筋的制各是南京彤天科技实业公司采用日本东丽公司生产 的t 7 0 0 ，k 1 2 碳纤维丝，基底材料是强度和韧性较好的环氧树脂，两种材料的性 能见表2 一l 。 表2 - 1 碳纤维筋制备所需材料特性 i 材料拉伸强度m p a弹性模量m p a伸长率比例 l 碳纤维 30 0 02 1 x 1 0 51 5 6 5 以上 l 环氧树脂 7 3 800 4 1 0 5 5 3 5 以下 2 1 2 挤压成型工艺流程 c f r p 筋的生产工艺流程一般如图2 1 所示。 c f r p 筋生产时先将碳纤维固定在一起( 1 ) ，然后穿过基底材料环氧树脂( 2 ) 浸胶槽充分浸渍( 3 ) ，接着由挤压成型模拉出( 4 ) ；拉出后的束状产品最后再 经过固化室，让树脂在室内发生硬化。挤压成型工艺适用于所有高弹性模量的纤 维和多种类型的基底材料，它可生产出多种形状的产品。c f r p 筋在生产时，表面 堡竺堡堑望塑堡鳖主塑蔓墼塑壅垄垄兰丝垡坌堑一羔! ：兰 多做成条纹状或沙粒状，因为这种表面形状有助于提高c f r p 筋与混凝土的粘结 力；此外，c f r p 筋截面外形根据需要可以很方便加工成各种形状，其中圆形截面 是最常见的一一种，也有厂家生产扁平状及其他形状的c f r p 筋：也可以将多种纤维 按一定比例混和，加工成混合纤维筋，用以改善纤维筋的特性，例如g - c f r p 筋， 其截面内部为碳纤维，外围是玻璃纤维，经拉挤得到的混合纤维筋。 图2 - 1c f r p 筋的生产工艺流程 1 一碳纤维丝：2 一环氧树脂；3 浸渍槽；4 一挤压成型器：5 一养护槽；6 一牵引设备 7 一粘砂缠绕装置。 2 2 碳纤维筋的分类 c f r p 筋可以做成普通钢筋的形状，被认为是混凝土结构中钢筋的一种可能的 替代材料，当前成为国内外土木工程领域的研究热点。c f r p 筋根据用途和外形大 致可分为以下几种类型： ( 1 ) 绞线类，可用作预应力混凝土梁的受力筋、悬索桥和斜拉桥的拉索等。 ( 2 ) 棒类，可用作混凝土梁受拉主筋。 ( 3 ) 片筋或板筋，可用于墩柱、梁体、拱柱等的加固。 ( 4 ) 网状格栅筋，可用于混凝土面板、桥墩防护板的加劲等。 ( 5 ) 各种型材筋，可以在工厂加工成型，施工现场直接拼装。 目前应用较多的是绞线类、棒类和片筋或板筋。绞线筋形状如钢绞线，棒类 可做成普通钢筋的形状，主要有光面筋，喷砂筋，螺纹筋等几种，片筋形状如钢 条，呈带状。各种类型的c f r p 筋材如图2 2 所示【2 2 】。 图2 - 2 各种类型的c f r p 筋材 壁堑竺堕塑塑塑鳖主堕苎丝婴塑丝：! 堂丝丝坌堑 塑三兰 2 3c f r p 筋的性能 碳纤维增强塑料筋是由连续碳纤维组成的复合材料，各种生产工艺、含量、 树脂的类型、纤维的方向等因素都会对c f r p 的性能有显著的影响。 2 3 1 物理性能 ( 1 ) c f r p 筋的密度 c f r p 筋的密度小，在l2 5 0 21 0 0 k g m 3 之间，为钢材密度的l 5 1 4 ，这有 利于减轻结构自重，为修建大跨度桥梁、高层建筑结构提供可能。 ( 2 ) c f r p 筋热膨胀系数 热膨胀系数在其纤维纵向和横向不同，差别大小取决于碳纤维筋的类型、树 脂的类型以及碳纤维体积率。纵向热膨胀系数主要取决于碳纤维的性质，一般 c f r p 筋的纵向热胀系数较低而横向热胀系数则较大，在温差变化较大的环境下 使用c f r p 筋，就有可能造成c f r p 筋与混凝土的粘结破坏或混凝土开裂，影响结 构的涮久性能【3 “。 ( 3 ) c f r p 荔热稳定性 c f r p 筋热稳定性较差，当温度超过c f r p 筋中环氧树脂的玻璃化转折温度后， 树脂基体次软化，c f r p 筋的抗拉强度和刚度就会出现明显下降，这将大大降低混 凝土结构的强度。因此在一些特殊的建筑中必须专门考虑温度对c f r p 筋强度的影 响，在结构设计时要考虑防火的要求。 ( 4 ) c f r p 筋的酬腐蚀性能 碳纤维和粘结材料本身都具有抗腐蚀的特性，因此在腐蚀性的环境中( 酸、 碱、氯盐和潮湿的环境中) 工作时，c f r p 筋的耐久性一般要大大优于钢筋，这是 传统钢筋混凝土结构材料难以比拟的。目前在化工建筑、地下工程和水下特殊工 程中，c f r p 材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。在瑞士、英国、加拿 大等国家的寒冷地区以及一些国家的近海地区已经开始在桥梁、建筑中采用c f r p 结构代替传统结构以抵抗冰盐和空气中盐分的腐蚀，从而使结构的维护费用大大 降低，维护周期大大延长。 ( 5 ) c f r p 筋的减震性 c f r p 筋的减震性能较好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也较 大，一旦激振起来，衰减也快。 ( 6 ) c f r p 筋的无磁性 由于钢筋混凝土结构的存在会对整个结构的电磁场产生不利的影响，而c f r p 筋