（材料学专业论文）frp片材加固钢筋混凝土单向板受弯性能研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本研究针对传统热固性纤维增强树脂基复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，以下简称 f r p ) 存在的断裂延性差、脆性大、成型周期长、不可回收、毒性大等缺点，提出用热塑性 树脂x 作为新一代加固用复合材料的基体树脂，开发环保型韧性良好的新型加固片材。简 化现有的纤维增强热塑性树脂基复合材料制备工艺中复杂的预浸渍工序，开发高效的连续拉 挤工艺，加快生产节奏，降低能耗。 热塑性树脂x 常温下为固体，必须对其进行加热变成熔融状态。为了解决其在高温时 由于大量接触空气而氧化的问题，在现有热固性拉挤生产设备的基础上，进行了改进。采用 组合式熔融浸渍装置，除导纱孔外其他设备部位尽可能密封。为了解决纤维浸渍后由于温度 下降而导致f r p 片材难于成型的问题，设计熔融浸渍装置与成型模具对接成为整体，纤维 浸渍树脂后直接进入模具。针对热塑眭树脂x 固化的特点，设计了成型模具。 在以上研究的基础上，进行了f r p 片材生产研究。确定了拉挤成型主要工艺参数，包 括熔融槽温度、成型模具各段温度、拉挤速度。实践证明可以指导生产，生产f r p 片材取 得了良好的效果。生产出的片材抗拉强度、弹性模量可达到相关规范的指标，满足加固要求， 为进一步研究提供了依据。 运用前期研制开发出的f r p 片材对钢筋混凝土单向板进行了受弯加固的研究，考察自制 f r p 片材加固的效果，并与碳纤维布加固效果进行对比。粘贴f r p 片材后，试验板的受弯承载 力提高非常明显，提升的幅度很大。自制a f r p ( 宽度为2 5 c m ) 片材与碳纤维布加固效果相 当，但加固成本低，且施工效率高。 为了了解f r p = ! j o 固后钢筋混凝土单向板的受力机理和变形破坏过程，运用计算公式进行 了理论计算，并利用大型工程设计软件a n s y s 分析程序对f r p j j i 固钢筋混凝土单向板进行了模 拟，通过计算、分析、比较，与实验验证，取得了较为理想的结果，为混凝土结构加固设计 和加固材料研制提供了较为可靠的依据。 关键词：钢筋混凝土单向板热塑性树脂片材加固有限元分析 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i n o n a lm a t e d a l s u s e dt o r e p a i r i n g c o n c r e t es t r u c t u r e sa r ef i b e rr e i n f o r c e d t h e r m o s e t t i n gr e s i n s t h e s ec o m p o s i t e sh a v es o m ef a t a ld i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o wr u p t u r e e l o n g a t i o n ，l o n gp r o d u c t i v ec y c l e ，b r i a l e n e s s ，u n r e c y c l e da n dt o x i c i t y s ot h ei d e ao fs e l e c t i n g t h e r m o p l a s t i cxt op r e p a r ec o m p o s i t e su s e d f o rr e i n f o r c i n gc o n c r e t ew a sp u tf o r w a r dh e r e c o m p l i c a t e dw o r k i n gp r o c e d u r e si ne x i s t e n c eh a v eb e e ns i m p l i f i e d a n o t h e ra i mi sd e v e l o p i n g h i g he f f i c i e n c yp u l t r u s i o nt e c h n o l o g y t h e r m o p l a s t i cx i si ns o l i da tn o r m a lt e m p e r a t u r e i ts h o u l db em e l t t h i sk i n do f r e s i nw i l l b eo x y g e n i z e d s os o m em e a s u r ew a st a k e nt os o l v et h i sp r o b l e mf r o mp o i n to ft e c h n i q u e s a c l o s e dm e l t i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d t h em e l t i n gd e v i c ea n dm o l d i n gd e v i c ew u sj o i n t e da sa w h o l e i nv i e wo f s o l i d i f y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h e r m o p l a s t i cx ，am o l d i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d o nt h eb a s eo fa b o v er e s e a r c l l t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o rf i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c s h e e t sw a si n v e s t i g a t e d t h ep u l t r o nv e l o c i t ya n dt h et e m p e r a t u r eo f m e l t i n gd e v i c ea n dm o d e l i n g d e v i c ew e r er e s e a r c h e d t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ff i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i c si s s a t i s f i e d t h ek e yp u r p o s eo f t h i ss t u d yi sc h e c k i n gu pt h er e i n f o r c e m e n tc a p a c i t yo f y i e l d e df r p t h e s t i f f n e s sa n dc r a c kp e r f o r m a n c eo ft h ea b o v et e s t e dw e r eo b s e r v e d t h ee x p e d m e n t a lr e s u l t s r e v e a l e dt h a tb o n d i n gf r po nt h ec o n c r e t es l a bc o u l de v i d e n t l yi n c r e a s et h eb e n d r e s i s t a n t s 仃e n g t ho f t h es l a b t h ei m p r o v e m e n tb yu s i n ga f r p ( 2 5 m mw i d t h ) a n dc a r b o nf i b e rt or e i n f o r c e s l a bw e r ea l m o s te q u a l b u tt h ec o s to f a f r pw a sl o w e rt h a nt h ec a r b o nf i b e rs h e e t s o m ef o r m u l aw a st a k e nt ov a l i d a t et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s b a s e do nt h ea n s y ss o f t w a r e ， at h r e e - d i m e n s i o nm o d e lo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a b sw a sc o m p u t e d ，a n dt h eo u t c o m ec o r r e l a t e s w e l lw i t he x p e r i m e n td a t a k e yw o r d s ：r e i n f o r c e ds l a b ；t h e r m o p l a s t i cf r ps h e e t ；r e p a i r i n g ；a n s y sa n a l y s i s 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 在过去的半个多世纪里，结构的耐久性问题受到工程界的高度关注。由于材料老化、环 境腐蚀、工作荷载改变、自然灾害以及施工质量等问题而导致大批的结构设施需要修复和加 固。混凝土中的钢筋易锈蚀，特别是预应力钢筋锈蚀以后，构件的服役性能将大大降低。 根据美国公路局( f h w a ) 2 0 0 2 年的统计，全美有1 9 4 7 0 0 座荷载受限桥梁，仅纽约市就 有1 8 0 0 多座桥梁急需加固，加利福尼亚州有约5 0 0 0 座桥梁需要维修加固“1 。加拿大约有4 0 万座桥梁需要加固。英国为解决海洋环境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题，每年就花 费将近2 0 万英镑”1 。日本有5 5 0 0 座桥梁需要补强加固。我国也有大量的老建筑物和一些新 建的但存在质量问题的建筑物需要加固修补。我国现有的约1 0 0 亿m 2 建筑物总面积中，约 2 5 亿m 2 的建筑物需要分批分期进行维修和加固。1 。根据交通部2 0 0 2 年的统计，全国约有5 5 0 0 座危桥急需加固”1 。 2 0 世纪8 0 年代末，基于粘钢加固法的思路，出现了以纤维增强复合材料( f i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称f r p ) 代替钢板作为混凝土结构补强材料的新思路。复合材料产 生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性，并将其有机组合，使复合 材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性。这种思想类似于钢筋混凝土的特性，利 用钢筋承担大部分受拉应力，利用混凝土承担大部分受压应力。所不同的是，在复合材料中， 绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担，而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用6 1 。 正是复合材料可有机组合不同性质的材料，因此复合材料具有传统材料( 如钢材) 无法比拟的 优点4 。复合材料晟重要的优点是具有非常高的强度一重量比及刚度一重量比，施工时不需 笨重的机械设备，省人工，不受施工场地大小限制，施工便捷，工期短，对结构正常使用功 能的影响小，几乎不会增加结构尺寸，加固综合费用低，加固后基本不需维护。复合材料具 有良好的抗腐蚀“、耐老化等特点。 1 2f r p 加固技术的研究和发展现状 1 2 1 国内外混凝土结构加固材料研究与应用现状 用于加固混凝土结构的f r p 材料是纤维增强树脂基复合材料的一个分支，其工业化生产 已5 0 多年。 东南大学硕士学位论文第一章绪论 日本在这方面起步早，投入大。1 9 8 8 年，日本建设部率先发起了一个为期5 年的大型 综合研究项目建设事业中的新素材、新材料利用技术的开发，从后来的结果看，f r p 加 固结构技术可以说是其中最为成功的案例之一 1 1 1 。 美国在这方面的发展虽然落后于日本。但它是应用f r p 最广泛国家。加固范围涉及到桥 梁、码头、高层建筑物，公路高架桥、城市立交桥、隧道、烟囱等。有了成功的工程应用后， 美国相当重视f r p 加固材料的研究。其中，f h w a 研究经费的8 0 用于与f r p 复合材料有关的 研究开发1 。 国外用于结构加固修复最多的材料形式是纯纤维布，其次是板材，再次是棒材。f r p 棒 材用于混凝土结构的加固形式主要是作为f r p 筋来替代普通钢筋和预应力钢麓。纯纤维布使 用前不浸润树脂，在施工过程中再给予浸润，其使用量最大，且技术最成熟。板材在使用前 浸润树脂，使其固化成板状，施工中再用树脂将其粘贴于结构表面，它使用量依然较小，但 由于该种形式的材料应用快捷，材料整体质量良好，近年使用量增长很快。 国外f r p 采用的增强纤维主要是碳纤维。至今为止，日本生产至少有1 0 种类型的纯纤 维布，大部分是碳纤维。有数据统计，日本仅2 0 0 0 年一年用于加固材料的碳纤维消耗量就 达3 0 0 吨“”。而芳纶纤维用量远远小于碳纤维，只有几十吨，不过其用量近年也呈增加趋势。 美国杜邦公司已经把商业化生产的路威2 0 0 8 芳纶纤维布( 一种全芳香族聚酰胺纤维) 用于 加固领域“”。这种纤维布拉伸强度是钢板的5 倍以上，质地非常柔软；具有轻质高强、高弹 模、耐腐蚀、不导电等性能特点，特别是它的抗疲劳性能、抗冲击能力以及抗局部荷载是目 前所有f r p 复合材料中最好的。 纤维加固技术自2 0 世纪9 0 年代后期引入我国以来，已在结构工程领域引起广泛关注和 浓厚兴趣，不少高等学校和科研院所进行了相关的基础理论研究，应用实践同时也在一大批 加固工程中展开。 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心的岳清瑞和清华大学的杨勇新等人负责制 定了碳纤维片材加固修复混凝土结构技术( c e c s l 4 6 ：2 0 0 3 ) ，是国内关于纤维加固凝土结 构技术的第一个技术规范“”。规程规定单层碳纤维布单位面积碳纤维质量不宜低于1 5 0g m 2 ，不宜高于4 5 0g m 2 。在施工质量有可靠保证时，单层碳纤维布单位面积碳纤维质量可 提高到6 0 0g m 2 。碳纤维板的厚度不宜大于2 o m m ，宽度不宜大于2 0 0 m m ，纤维体积含 量不宜小于6 0 。该规程对碳纤维片材、底层树脂及找平材料、浸渍树脂和粘结树脂的性能 指标都做作出了规定。 目前用于加固的f r p 主要由热固性树脂基体( 如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂，聚 酰亚胺等) 和高性能增强纤维( 如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等) 制备而成。这些材料主 要从日本、美国等国家进口。碳纤维布非常柔软，对结构构件复杂形状的适应性好。但是， 如果使用一层以上的碳纤维布加固混凝土构件，工程现场人工施工，多层碳纤维布层铺后的 整体性很难评判。为此，也有的国家将几层碳纤维布叠合制成纤维板材或片材。但是，这些 板材、片材的整体柔韧性较差，如果被加固构件的表面不平整或形状较复杂，那么就会影响 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 板材片材与混凝土构件有效粘贴的面积。更重要的是，目前在加固领域广泛使用的c f r p 材料的断裂延伸率低，与加固用钢板相比延性很差，破坏时有突发性，没有预兆，基体树脂 和增强纤维界面粘结性能差等。此外，各界人士更为关心的是上述加固材料的环保问题。目 前加固过程中所涉及的树脂和胶粘剂基本上用环氧树脂，该树脂属热固性树脂，一旦固化后 不可回收，而且所用固化剂多为有毒物品，对环境和现场施工人员都很不利。这些问题说明 目前使用的热固性f r p 并不是一种理想的能长期使用的加固材料。 上世纪8 0 年代以来，热塑性树脂及其复合材料引起了人们很大的兴趣，并取得了很大 的进展。热塑性复合材料避免了热固性复合材料固有的环境友好性差，加工周期长，难以回 收等不足，并且具有较强的柔韧性和抗冲击性能、良好的抗破坏能力和阻尼性能。热塑性复 合材料抗化学和环境腐蚀的能力强，固化过程中不发生化学反应，可以进行快速加工。热塑 性复合材料可以重复利用且性能不下降，在d a v i da s t e e n k a m e r 和j o h nl s u l l i v a n 的研 究中证实了这一点i t s 尽管人们已认识到连续纤维增强热塑性复合材料的优点和在制作结 构件方面的潜力，但是，热塑性树脂，特别是高性能的热塑性树脂熔融粘度大( 一般大于1 0 0 p a s ) ，给热塑性树脂浸渍纤维带来困难。 目前生产连续纤维热塑性复合材料的工艺主要有：冲压成型，树脂注入成型，辊压成型， 模压成型，拉挤成型等。冲压成型“7 ”1 是通过将按模具大小裁切好的c f r t p 预浸片材在加 热炉内加热至高于树脂熔化的温度，速热压成型。成型周期一般在几十秒至几分钟内完成。 这种成型方法能耗、生产费用均较低，成型过程中无环境污染，是目前c f r t p 的成型加工中 最重要的一种成型方法。缺点是仅适于制备薄型及尺寸较小制件。树脂注入成型“”是一种 从热固性树脂基复合材料成型借鉴过来的一种新的成型方法。在成型过程中，首先将模具逐 渐加热到成型温度，模腔中铺有纤维层状物或预成型物，再把事先在不锈钢容器中加热熔融 的树脂通过底部开口和加热管道注入的模腔中。模具降温后脱模。辊压成型是指把几层放好 的预浸料在连续的基础上用远红外或电加热的方法加热软化，然后通过牵引经过热辊、冷却 辊，从而逐渐成型为所需形状的制品“”。模压成型 “是指成型时，将预先剪裁成一定尺寸 的片材经预热后移到不锈钢模具上，把片材和模具的周边密封，然后通过模腔内抽真空，使 片料铺贴在模腔上，加热至树脂熔融温度，加一定工作压力，保持一定时间后降温降压后脱 模即得所需形状的制品。 扩大热塑性材料应用的重要方法是发展最合适的加工工艺，降低成本，提高质量。拉挤 工艺是一种能够经济的连续生产复合材料的典型制造工艺。拉挤成型技术是制造高纤维体积 含量、高性能低成本复合材料的一种连续的自动化生产工艺。它是将增强材料经树脂浸渡， 再经过具有一定截面形状的成型模具并使之在模具内固化成型，然后将制品拉出模具的成型 工艺。它不但具有其它成型方法的优点，而且还具有其它工艺所不具备的优点，如树脂粘度 可以随时调节“，纤维含量可高达8 0 ；生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；制品 纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；制品质量稳定，重复性 好，长度可任意切断；生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 料，省能耗。由于它实现了自动化连续生产，制品的晶种和用途也相当广泛，所以在工业发 达国家受到普遍重视，发展速度很快。传统上，用热固性树脂生产拉挤产品。但是，由于美 国早先出现的专利( 专利号：u s 5 0 9 1 0 3 6 ) 以及d r s c o t tt a y l o r 对热塑性复合材料的研究 ，给熟塑性复合材料工业带来次重要的突破性的进展。据报道，美国拉挤制品销售量在 整个1 9 9 0 年代平均年增长速度为9 2 。在我国，近1 0 年来也从无到有地发展起来。国 外广泛用于电子电气、娱乐或运动器材、耐腐蚀制品、建筑、汽车、国防、石油化工、轻工、 航空、采矿等，而我国主要产品有抽油杆、格栅、电工梯型材、门窗框以及帐篷支架和各种 器材。自2 0 世纪8 0 年代中期从国外引进拉挤设备和技术，从无到有发展到今天，全国已有 大小数十家拉挤工厂，进口的和国产的拉挤生产线1 0 0 多条，每年的拉挤制品产量数千吨”“。 我国拉挤制品研究和应用方面有较大进展。拉挤技术水平明显提高，在某些领域取得了突破 性进展；少数拉挤制品进入国际市场，技术性能达到国际同类产品的先进水平。但由于它的 技术难度大，有些方面尚不成熟。 拉挤工艺生产的f r p 产品具有f r p 产品的一般特性外，还具有产品尺寸精度高、质量轻、 强度高、绝缘、绝热、耐腐蚀、耐老化、易设计、易施工和用途广的特点。该工艺原料利用 率高，能生产各种异型截面形状的制品，而且制品的长度可无限长。 1 2 2 国内外f r p 加固技术的研究及发展现状 混凝土结构因其耐久性、耐火性、可模性、现浇整体性及其材料的就地取材等性能，已 经成为现代建筑中使用最广泛的一种建筑结构。但随着混凝土结构服役期的增长，大量结构 构件由于混凝土的碳化、腐蚀、碱集料反应、抗渗抗冻性缺陷。混凝土中的钢筋锈蚀，混凝 土的收缩与徐变，设计与施工中缺陷等，将导致混凝土结构不能满足正常的使用功能，修复 和加固通常是经济可行的解决方法，修复和加固的原则是保证加固部分材料或构件与原结构 连接可靠协同工作”1 。 目前，国内传统的结构加固技术有很多种，如增大截面加固、外包钢加固、预应力加固 和粘钢加固等。 加大截面法就是采用被加固构件同种材料钢筋混凝土来增大原混凝土结构截面面 积，达到提高结构承载能力的目的，是一种传统的加固方法，可广泛用于一般粱、板、柱、 墙等混凝土结构的加固。加大截面法容易施工，这种方法的缺点是，嵌入的钢筋锈蚀和混凝 土劣化的危险性很大。在大多数情况下，系统中的老混凝土不再受体积变化的影响，新混凝 土的体积变化受到约束就产生张应力，当引起的张应力超过其抗张拉应变能力时，导致开裂 和剥落；另外，现场湿作业工作量大，养护期较长，对生产和生活有一定的影响，截面增大 对结构外观及房屋净空也有一定影响。 外包钢加固法是以型钢( 一般为角钢) 外包于构件四角的加固方法，适用于使用上不允许 过大增加原构件截面尺寸，却又要求大幅度地提高截面承载能力的混凝土结构加固。外包钢 加固分干式和湿式两种情况。湿式外包钢加固，外包型钢与构件之间是采用乳胶水泥粘贴或 4 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 环氧树脂化学灌浆等方法粘结，以期型钢架与原构件能整体工作共同受力；干式外包钢加固， 型钢与原构件之间无任何粘结，有时虽填有水泥砂浆，但并不能确保结合面剪应力和弯曲拉 应力的有效传递，外包钢架与原构件不能保证整体工作，彼此只能单独受力，与湿式外包钢 相比，干式外包钢施工更为简便，但承载能力提高不如湿式外包钢有效。 预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆对结构构件或整体进行加固的主法， 特别是通过构件外预应力手段强迫改变原结构内力分布，致使一般加固结构中所特有的应力 应变，滞后现象得以完全消除，从而使后加部分与原结构能较好地共同工作，结构的总体承 载能力可显著提高。外加预应力法现场施工简单，用x 射线或其他无损检测技术可在结构运 行期间检验，缺点是它位于结构的外部，易于锈蚀，防火性能差，易于损坏外观。 粘钢加固法，虽简单、快速，不影响结构外形，施工时对生产和生活影响较小，但其局 限于承受静力作用的一般受弯及受拉构件加固，且环境温度不超过6 0 ( 2 及相对湿度较小的 地区，此外，由于胶的固化需要一定的时间，该法难以满足不停产的要求，且钢板与混凝士间 的粘贴保证率较低( 规范规定非锚固区7 0 ，锚回区9 0 ) ，对于长期承受振动荷载的情况不能 采用。上述加固技术也存在着诸如应力滞后、耐久性、费用高、以及影响使用空间等缺点。 为克服上述缺点，可采用f r p 加固技术。近十年来，国内外的研究和工程应用表明：纤 维增强复合材料能更好地解决以上问题。因此，f l i p 的研究不仅加固效果好，而且省时省力， 操作方便，经济实用，并且不影响正常使用，尤其对于异形结构、受恶劣环境影响的结构及 抗震能力要求较高的结构，在常规加固技术不能适用的情况下，f r p 加固技术更显示出其不 可取代的优势印j 。 因此，f r p 的研究与相关产品的开发在国际上已成为热点。许多发达国家都十分重视和 积极推广f r p 在土木工程中的研究和应用。美国混凝士协会a c i ( a c l 4 4 0 ) 、日本建筑学会与 混凝土协会( j c i ) ，还有加拿大的i s i s 以及北美的一些学术组织都成立了专门研究f r p 复合 材料的专业委员会。在美、日等发达国家，以c f r p ( c a r b o nf r p ) 为主的技术规程与施工手 册都己颁布，与f r p 相关的产品已经定型并形成了规模化生产，工程上已有大量成功应用的 实例”1 。 从最早期的f r p 材料应用开始，国外f r p 材料在土木工程中的研究和应用的历史已有近 3 0 年。2 0 世纪6 0 年代，美国即生产出早期的g f r p 筋用于混凝土结构。8 0 年代，日本、美 国和欧洲发达国家的有关高等学校、科研机构和材料生产厂家在f r p 材料用于工程结构加固 方面投入了许多研究力量，在土木工程领域进行大量的研究和广泛应用，取得了一批富有成 效的成果。特别是9 0 年代，由于在欧美一些国家，有大量的结构接近设计寿命或承载能力 不足，如何有效快速进行结构补强或置换成为学术研究的热点。1 9 9 5 年日本阪神地震，采 用g f r p 对混凝士结构进行抗震加固，由于g f r p 现场加固技术具有高强高效、施工便捷、耐 久性好等优点，为抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间”1 。 国外对f r p 筋混凝土也有所研究，f p , , p 筋最主要的优势是不锈蚀和高强度。f g p 筋可以 替代普通钢筋，解决普通钢筋容易锈蚀的问题。另外，它们很轻，没有磁性，而且拥有非常 好的抗疲劳性。已经有了f r p 筋设计的技术规程。，如国际结构工程师协会( t h ei n s t i t u t i o n o fs t r u c t u r a le n g i n e e r s ) 已颁布了( f r p 筋混凝土结构设计临时手册，a c l 4 4 0 f 在2 0 0 2 年也颁布了设计标准。 另外，国外有研究人员提出了表层嵌贴法”1 ，即在需加固的构件表面开槽( 混凝土保护 5 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 层内) ，将f r p 筋或板条嵌入其中，利用粘结剂使其与构件结合紧密，达到加强其抗弯或抗 剪能力的目的。 我国是世界上混凝土结构使用最多的国家。资料表明我国有相当多的混凝土结构面临劣 化、强度不足、耐久性和安全性过低的问题，急需对这些结构进行加固补强，提高耐久性， 保证安全使用。另一方面，许多新旧建筑由于增加或改变使用功能，更需要加固补强，翻新 改造。因此，研究、开发和应用新型碳纤维增强系列材料是建筑业可持续发展的必然趋势。 近年来，国内以国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心、中国建研筑科学研究院、 四川建筑科学研究院为代表的十多个科学研究院和以清华大学、东南大学、同济大学、武汉 水电大学、南京工业大学为代表的十几所高等院校相继开展了这方面的研究及推广应用工 作。 国内研究院所对于f r p 加固粱、板、柱、墙体等结构进行了大量的研究工作，下面简单 列举一些研究成果。赵鸣等人对对碳纤维受弯加固钢筋混凝土梁进行了试验研究，分析了加 固后粱的承载力性等结构性能指标，并探讨了受拉纵筋配筋率、混凝土强度、碳纤维量及二 次受力等因素影响。熊光晶、任慧韬等人对于混杂纤维受弯加固钢筋混凝土梁进行了研究， 研究指出混杂纤维加固法既能在保证承载力的前提下提高构件的延性，又能显著降低加固成 本。李扬等人对碳纤维布加固混凝土梁的抗剪性能进行了研究，考察了碳纤维布加固方式， 加固量、睾占贴层数、剪跨比以及混凝土强度对加固效果的影响。赵彤等人对摘要碳纤维布加 固混凝土板受弯性能进行了研究指出使用碳纤维布提高钢筋混凝土受弯构件正截面承载力 的方法是有效的。贾明英等人对碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维加固混凝土圆柱进行了研究， 指出碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维在不同程度地提高混凝土圆柱的轴心抗压承载力和延性。 王欣等通过对已破坏墙体经碳纤维布加固后在低周反复荷载作用下的试验研究，分析了用碳 纤维布加固破坏后墙体的效果及抗震性能。研究表明，碳纤维布约束墙体阻止裂缝的开展， 从而改善了整体结构的抗震眭能。 在理论计算方面，任海东等人分析了f r p 钢筋混凝土梁的受剪破坏机理，比较了其与箍 筋抗剪的相适性，通过大量试验数据统计总结，提出了有效应变表达式，并将其应用到f r p 抗剪加固公式中。李荣等人提出了一种碳纤维片材加固钢筋混凝土结构受弯构件的计算方 法。 在f r p 加固后结构的耐久性方面，任慧韬等人对外贴f r p 加固混凝土结构耐久性能进行 了研究，通过快速冻融试验、碱化试验、浸水试验、湿热试验研究了腐蚀环境对f r p 力学性 能的影响。研究表明，碳纤维增强聚合物( c f r p ) 的耐久性能较好，在各种暴露条件下，力学 性能没有明显退化；而玻璃纤维增强聚合物( g f r p ) 的耐久性能略差，水环境、碱环境、湿热 环境以及冻融循环对g f r p 均产生了较大的影响。 6 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本论文研究的内容属于江苏省高技术研究计划( b g 2 0 0 2 0 0 1 ) 、南京市国际合作 ( 2 0 0 3 0 1 1 0 ) 和江苏省建设厅科技计划( j s 2 0 0 3 5 1 ) 资助课题的一部分。本文工作主要研究 的内容如下： ( 1 ) 在课题组前期的研究基础上，对拉挤工艺连续生产热塑性f r p 片材的工艺参数进 行摸索研究。 ( 2 ) 采用自制f r p 片材受弯加固钢筋混凝土单向板，考察f r p 加固对钢筋混凝土单向 板强度和刚度增加效果，并从理论上分析f r p 粘贴加固钢筋混凝土单向板的受弯性能。 7 东南大学硕士学位论文 第三章f r p 加固钢筋混凝土单向板试验研究 2 1 概述 第二章f r p 片材的生产及性能测试 目前用于加固的f r p 主要由热固性树脂基体( 如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂， 聚酰亚胺等) 和高性能增强纤维( 如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等) 制备而成。这些材料 主要从日本、美国等国家进口。碳纤维布非常柔软，对结构构件复杂形状的适应性好。但是， 如果使用一层以上的碳纤维布加固混凝土构件，工程现场人工施工，多层碳纤维布层铺后的 整体性很难评判。为此，也有的国家将几层碳纤维布叠合制成纤维板材或片材。此外，各界 人士更为关心的是上述加固材料的环保问题，目前加固过程中所涉及的树脂和胶粘剂基本上 用环氧树脂，该树脂属热固性树脂，一旦固化后不可回收，而且所用固化剂多为有毒物品， 对环境和现场施工人员都很不利。这些问题说明目前使用的热固性f r p 并不是一种理想的 能长期使用的加固材料。 本研究针对上述热固性f r p 的缺陷，提出用热塑性树脂作为新一代加固用复合材料的 基体树脂，开发环保型韧性良好的新型加固片材，简化现有的纤维增强热塑性树脂基复合材 料制备工艺中复杂的预浸渍工序，开发高效的连续拉挤工艺，加快生产节奏，降低能耗。 2 2 原材料选择 2 2 1 树脂 在本课题组前期研究工作的基础上，确定选用热望性树脂x 。该树脂分子结构中具有极 性基团，可以形成氢键，分子间的作用力大，分子链排列规整，所以机械性能好，坚硬而有 韧性，耐磨耗，吸震和消音性好，低温性能很好，有一定的耐热性( 可在1 0 0 ( 2 下使用) ， 无毒、无臭、不霉烂，耐候性好，有一定的自熄性( 燃烧性能可以达到u l 9 4 2 级，极限 氧指数l o i 为2 4 2 8 ) ，化学稳定性好，耐海水、耐一般有机溶剂、耐油。并且对熟塑性树 脂x 进行改性，在实验室进行了大量的试验研究，最后确定了三组配方用于在工厂中f r p 片材的生产研究。 2 2 2 纤维 根据目前f r p 加固建筑物结构的要求，以及前期的研究工作，我们选用了两种纤维： 1 3 0 0 型碳纤维和普通型k e v l a r 4 9 。这两种纤维的性能见表2 1 。 8 东南大学硕士学位论文 第三章f r p 加固铜筋混凝土单向板试验研究 表2 1 纤维各项性能 拉伸强度拉伸模量断裂伸长 直径密度 开数 塑!塑!奎! 墅唑! 酸堡堡 芳纶 2 9 0 61 1 53 71 21 4 46 炭纤维 3 7 2 02 3 51 471 - 82 4 2 3 生产设备 在土木工程中，f r p 的应用形式主要有片材、棒材和型材等，这些材料形式共同的特点 就是结构形式比较简单，因此比较适合采用连续拉挤工艺。采用拉挤工艺生产的f r p 材料 一般具有产品质量稳定，且产品的长度不受限制的优点。f r p 制备工艺源于玻璃钢制备工艺， 目前典型的f r p 制备工艺有：手糊成型、喷射成型、s m c 模压成型、层压成型及拉挤成型 等。其中热塑性拉挤工艺设备主要有纱架、导纱架与导纱板、熔融浸渍装置、成型模具、牵 引装置、切割装置等1 。与一般拉挤工艺设备大致相同，但由于热塑性x 加工温度高达2 3 0 以上，为避免纤维浸渍后温度下降设计浸渍装置与模具对接成为整体，纤维浸渍树脂后直 接进入模具。生产设备流程如图2 1 ： 纱榘导纱架熔融装置成型模其牵引装置切割装置支架 2 3 1 纱架 图2 1 生产设备流程 纱架类似于书架，分数层，在每层上部镶有陶瓷导纱眼防止磨纱，如果没有，不锈钢导 纱眼也可。纱筒安放在书架式的纱架上，无捻纤维纱从纱筒引出，经过纱架与制品轴向平行 排列形成一平面，可与毡一同进入浸胶槽。 9 东南大学硕士学位论文 第三章f r y 加固钢筋混凝土单向板试验研究 2 3 2 导纱架与导纱扳 为防止纱束交叉，将纱按制品分层穿过导纱架，同时使纱有一定的张力，纱变得松散有 利于浸渍。如果制品较大还应穿过导纱板，使纱进一步集束成制品形状。 2 3 3 熔融浸渍装置 生产热塑性复合材料所需要的浸胶槽不同于热固性复合材料的浸胶槽。热塑性树脂常温 下为固体，因此在生产时必须对其进行加热变成熔融状态。采用一定厚度的钢板做成方形的 槽体，槽底部侧面钴有三个孔安放加热管；熔融槽分熔融仓和放料仓，放料仓底部钻有一排 孔便于将物料注入浸胶槽；熔融仓上部装有搅拌装置，便于搅拌物料，同时装有开放液体物 料的阀门定期将熔融的树脂放入浸胶槽，熔融槽安放于浸胶槽上部。使用保温石棉包裹熔融 浸渍槽外表面。 2 3 4 成型模具 模具在拉挤成型中是非常关键的部分，模具的好坏直接影响到工艺的成功与否和制品的 质量。模具一般为钢模，热固性模具通常为6 0 0 一1 5 0 0 m m ，热塑性拉挤不需要模具加热固 化，长度可大大缩短，一般3 0 0 - - 5 0 0 m m 。为保证制品热稳定性，钢模的横截面至少为制品 横截面的1 0 倍。模具内表面镀铬，可降低牵引力，减少磨擦，延长模具的使用寿命，并使 制品易脱模p ”。 模具可分成两段或更多的单独控制的温度区域，以利于检查和清洗等。鉴于热塑性拉挤 所用模具较短，本课题采用一段加热模具，模具前端钻有两个孔，安放两个加热管，后半段 采用加热板加热，这样易于控制温度分布。模具长度定为5 0 0 r a m ，园本课题制品为片材， 模具内腔截面尺寸为5 0 1 5 r n m 。 2 3 5 牵引装置 对牵引装置的要求是连续牵引，牵引力和牵引速度可调，夹制力可调，夹头可更换，夹 制时不损伤制品。一般实验性的牵引力为1 2 x1 0 k n ，生成性的牵引力为1 0 0 k n ，牵引速 度o 一5 m m i n 。夹头可采用碳粉、超高分子聚乙烯或镀铬钢加工，夹头衬垫可采用硬质聚 氨酯机械加工而成，其强度大，有弹性，夹制制品时不挤伤、不夹裂制品。一般牵引装置有 履带式牵引装置和往复夹持式牵引装置，本实验采用履带式牵引装置。 2 3 6 切割装置 在操作台上安装电动刀具，采用标准圆盘锯，锯片有砂轮片和耐磨合金片两种。 1 0 东南大学硕士学位论文 第三章f r p 加固钢筋混凝土单向板试验研究 2 4 工艺参数探索 在很多应用领域，热塑性树脂基复合材料有热固性树脂基复合材料不可替代的性能，尽 管热固性拉挤成型是生产聚合物基复合材料非常经济且使用广泛的加工方法，近年来人们对 热塑性拉挤成型工艺在工业上和学术上也产生了浓厚的兴趣。热塑性基体复合材料在拉挤成 型中应用的兴趣起始于上世纪8 0 年代后期 2 1 , 3 1 1 ，尽管作了努力，热塑性基体用于拉挤成型 工艺仍处在初级阶段。二者的主要差异在于熟塑性树脂具有较高的黏度和更高的加工温度， 因此有着不同的加工方法和工艺参数，从科学的角度而言，对加工过程的理解还是比较贫乏。 拉挤成型工艺形式有多种多样，其分类方法也各不相同，分类大致是依据间歇式还是连 续式生产、是立式还是卧式、是履带式还是夹持式牵引、是浸胶还是注入胶液；加热方式是 热传导、电感应还是组合式加热等。本文采用连续式、履带式、浸胶、电热管加热热传导。 2 4 1 拉挤工艺的优点 拉挤是指纤维纱或其织物在外力牵引下，经过浸胶、挤压成形、加热固化或高温硬化、 定长切割，连续生产线性制品的一种方法。它不同于其它成形工艺的地方是外力拉拔和挤压 模塑，故称拉挤成型工艺。 ( 1 ) 复合材料的物理力学性能，特别是纵向比强度和比刚度相当突出。 ( 2 ) 工艺过程容易实现自动控制，产品质量稳定。 ( 3 ) 工艺过程中基本上不产生边角废料，原材料有效利用率高。 ( 4 ) 生产效率高。 ( 5 ) 制品长度只受生产空间限制，而与设备能力和工艺因素无关。 2 4 2 工艺流程 图2 2 工艺流程图 东南大学硕士学位论文 第三章f r p 加固钢筋混凝土单向板试验研究 ( 1 ) 纤维排布 将纱筒安放在纱架上，排纱时，由于纱筒的引出方式有内外两种，纤维从纱筒内壁引出 的，纱筒固定但纱发生扭转；纤维从纱筒外壁引出的，应采用旋转芯轴，可避免扭转现象。 有捻不利于浸渍，故应采用外壁引出。按高低顺序穿过导纱架，应避免交叉。有必要再穿过 导纱板，使纤维束有利于浸渍。将纤维束按顺序穿过熔融槽的导纱孔( 注意避免刮纱) ，之 后按制品的形状穿过模具，因为制品为板材不易穿纱，故打开模具将纱按制品的尺寸排布， 要注意纤维排布整齐，之后谨慎合模，为开机有利拉挤应将纱穿过与制品形状一致的定型板， 确认无误后拉挤，若能顺利的拉挤则可进行下步操作。 ( 2 ) 浸胶 先将熔融槽安放在浸胶槽上部并密闭，防止热量流失。把加热管插入熔融槽和浸胶槽的 孔中，并安装热电偶，同时将模具前端预热。将熔融槽温度上升到指定的温度，确保浸胶槽 的温度，这时加入颗粒树脂熔融，并搅拌树脂使受热均匀加速熔融，熔融好的树脂熔体通过 放料阀放入放料仓并通过孔流入浸胶槽。当树脂达到足够的量时可进行拉挤成型。 ( 3 ) 成型固化 确定温度合理的情况下，启动拉挤，因拉挤速度与模具剪切力有关，开始时应降低速度 以降低阻力，当稳定时逐渐提高到正常拉挤速度。 ( 4 ) 切割与包装 当制品连续拉出达到规定尺寸，可进行切割，对于尺寸小、韧性制品，需要长度较长可 以卷曲包装。 2 4 3 拉挤工艺参数 拉挤成型工艺参数主要包括熔融槽温度的控制、浸渍槽温度的控制、模具温度的控制、 拉挤速度等。由于拉挤工艺及制品在我国尚处于开发和局部范围使用阶段，而且各生产厂家 对此保密，因此，有关具体工艺参数的报道很少。尤其是连续纤维增强热塑性树脂复合材料 拉挤工艺更是风毛麟角。在本章中，通过研究寻求一种适合于生产的热塑性树脂复合材料拉 挤工艺的最佳工艺参数。 2 4 3 1 熔融槽温度的控制 课题采用改性热塑性树脂x ，在高温下树脂损失较大，通过观察可见树脂冒出大量的青 烟，取l o o g 烘干树脂颗粒在较低温度下熔融非常缓慢，在高于3 0 0 c 时熔融非常快，不同 温度下熔融时间见下表。 表2 2熔融温度与时间 1 2 东南大学硕士学位论文第三章f r p 加固钢筋混凝土单向板试验研究 可见在2 9 0 c 温度下熔融时间较少，同时此温度下熔融体流动性很好，便于注入浸胶槽。 2 4 3 2 浸渍槽温度的控制 浸胶槽的温度影响熔体的粘度，并直接影响到纤维与树脂的浸润。选取三种实验室所作 的配方基体中助剂添加量，列于下表。 表2 3 基体配方 注：其余为热塑性树脂x ，助剂掺量百分数为树脂的质量百分比 研究三种配方粘度与温度的关系，结果见图2 - - 3 。 0 2 卯 山2 皿 剖卯 嘏。 2 2 0z 】口：d2 自口2 6 1 1z 7 02 部瑚= l o f t】 d 温度( 。c ) 图2 3 不同配方基体的粘度与温度的关系 由上图可以看出，配方1 粘度在高温区仍然是很高的，配方2 与配方3 相对较好，在 2 6 0 c 至2 7 0 c 时粘度比较低，能够满足拉挤工艺的需要。 2 4 3 3 模具温度的控制 在拉挤成型过程中，材料在穿越模具时发生的变化是最关键的，也是研究拉挤工艺的重 点。 ( 1 ) 模具分区的控制 一般可将模具依据加工温度分为三部分，就本试验而言，纤维带在模具内随温度的变化， 将发生由液态到固态的转变过程，可将其分为进料区、硬化区、冷却区三部分。三区的划分 主要是依据物料的形态变化。通过温度测定大致分布为前2 5 处，物料处于熔融状态，称 其模内迸科区：2 0 0 m m - - 4 0 0 m m 处物料温度低于熔点，发生结晶现象，称其为硬化区；4 0 0 m m - - 5 0 0 m m 处物料硬化为固态，故称为冷却区，如图2 4 ： 1 3 东南大学硕士学位论文第三章f l i p 加固钢筋混凝土单向板试验研究 图2 4 模具区域的划分 ( 2 ) 模具各区温度的确定 模具的加热条件是根据树脂体系来确定的，热塑性树脂进入模腔应有一定的流动性，温 度应在树脂熔点以上，最好与浸胶槽温度一致，过高的温度将使树脂性能劣化，过低的温度 将使熔体黏度骤然升高，使拉挤困难。 就本研究而言，纤维带在模具内随温度的变化，将发生由液态到固态的转变过程，可将 其分为进料区、硬化区、冷却区三部分。三区的划分主要是依据物料的形态变化，通过温度 的测定来划分确定。模内温度分布决定着拉入模内的浸渍带的浸润情况、硬化程度以及树脂 在模内结晶程度。 在模内进料区，基体树脂随温度不同表现不同的流动性，影响纤维的浸渍。考察不同的 温度下树脂与纤维的浸润情况，在温度控制在2 0 0 。c 时片材中树脂对纤维的浸渍情况很差； 随着温度的升高，浸渍情况转好，在2 3 0 时片材中树脂已能浸润纤维，但仍然难满足需要；