浅议碳纤维筋基本性能及研究现状.doc

浅议碳纤维筋基本性能及研究现状第二十六卷第一期2001年2月高斜拉仟讯南应用Hi-TechFiber&ApplicationV0J.26.NO.1Feb.200I浅议碳纤维筋基本性能及研究现状徐新生,彭亚萍.,王悦.,伊爱(1.山东建材工业学院建工系,山东济南250022;2.山东水泥厂,山东济南250022)摘要:奉竞对碳纤维复舍材料(CFRP)箭的物理力学性能,设计要点进行了分析,并介绍了CFRP筋在混凝土工程中应用情况及今后的发展趋势.关键词:CFRP箭;性能;研究现状中围分类号:T0327.3文献标识码:A文章编号:1007-9815(2001)01-0027.03前言近年来.碳纤维,玻璃纤维,芳纶等连续纤维以其强度高,密度小,耐腐蚀,无磁性等优良特性,受到土木工程界的关注.并正成为钢筋之外的又一增强混凝E的新型抗拉性材料.日本,欧洲,美国,加拿大等发达国家对连续纤维筋的试验研究及应用技术极为重视,1980年代后发展迅速,并逐步用于桥梁,海工构筑物,非磁性建筑等实际工程中.连续纤维中,尤以碳纤维强度最高,弹性模量值约为钢材的3/4,松弛和徐变也与钢材相近,撮具开发价值,I1前应用也最广泛.工程实例约占连续纤维筋混凝土工程的50%以上因此,最具发展潜力.1OFRP筋及其特性:iz薹:12345应变(%)图1连续纤维及其FRP筋的应力一应变关系为使碳纤维像钢筋一样用于混凝土结构中,常用的办法是把碳纤维集束,边张拉边含浸树脂固化成型,形成碳纤维复合材料筋,简称CFRP筋.根据不同的用途,CFRP筋可做成一维棒状,二维网格状和帘子布状及三维网格状等.为防止静态疲劳,纤维束要扭成绞状,而且为提高CFRP筋与混凝土之间的粘结力,通常把CFRP筋处理成异形表面或表面粘砂等.碳纤维抗拉强度高达30003500MPa,是钢筋的911倍,而密度仅为钢筋的23%,但是应力应变曲线到断裂破坏前一直呈直线变化,不象钢筋那样存在屈服现象(如图1),可以看成是完全弹性体.破坏形式为脆性破坏.为充分发挥CFRP筋效率.通常采用预应力结构.故CFRP筋一般采用复合绳形式,或称CFCC(CarbonFiberCompositeCable,见图2),其中碳纤维含量必须保证在60%以上.CFCC的形式有单股,7股,19股,37图2碳纤雏复合绳II啪日期:2000-12-06作者简介:持新生(1963一),男,高级工程师,山东建材学院建工乐副主任,1995年开始连续纤维增强混凝土的研究应用工作.发表论文7篇.28.高科擅讦谁南应用第二十六卷表1CFCC的物理力学性能表2CFCC的抗拉强度等标准离差股,外径为3ram-40mm不等,其中应用较多的是外径12.5mm的7股CFCC.表1列举了7股12.5mraCFCC物理力学性能,以及与12.4mm预应力钢绞线物理力学性能的比较.结果发现CFCC比预应力钢绞线具有更高强度,模量和密度低,耐腐蚀,非磁性等特点.2OFRP筋混凝土设计要点(1)为获得CFRP筋的抗拉强度指标,首先需进行CFRP筋抗拉强度实验.表2为CFCC1712.5mm与PC钢绞线SVCPR7A12.4mm抗拉强度的试验结果.值得注意的是.与钢绞线相比.CFRP筋抗拉强度的离散性较大.变异系数达3.7.而钢绞线仅为0.6.因此,在选用抗拉强度特征值设计指标时,必须充分考虑CFRP筋变异系数大的影响,保证有足够的安全度.(2】考虑到CFRP筋加强材不象钢筋那样存在明显的屈服阶段,破坏时会突然断裂.对结构造成安全性影响.因此,设计时除考虑CFRP筋的强度设计值外,还应设定其极限应变设计值.(3)CFRP筋是不存在塑性域的脆性材料.破坏形式为脆性破坏.当受弯构件按适筋破坏形式设计时,应对其最终承载力作相应折减或与钢筋并用.以改善构件的破坏性状;当构件按超筋破坏形式设计时(通常情况下.连续纤维筋混凝土抗弯构件按此形式设计).应考虑采用适当的手段约束混凝土受压区,常用方法是在受压区混凝土中掺入适量的钢纤维或加横向筋等.)因CFRP筋不锈蚀,容许裂缝宽度可以仅从美观和安全感等外观方面考虑,通常可取0.30.5mm.第一期徐新生等:浅议碳纤维筋基本性能及研究现状一29一(5)CFRP筋保护层厚度最小值取决于构件的锚固,握裹及耐火能力,而不必考虑盐害,锈蚀等耐久性园素.一般可取25ram以上或最大粗骨料尺寸的1.33倍.(6)连续纤维筋在弯曲条件下抗拉强度会降低,因此原则上不应弯曲配置.不得已时应在不损伤材质的情况下在工厂加工,而且弯曲成型后的连续纤维筋的抗拉能力,应通过适当的试验方法来确认.3CFRP筋在工程中的应用情况19/o年代,首先在德国开始研究开发玻璃纤维筋,1980年代初开始用于步行桥.受其影响,日本开始FRP筋应用技术的开发竞争,并在1987-1991年间应用于桥梁,建筑大粱及海工工程中.随后美国,加拿大等国也以工程学会为中心迅速开展CFRP筋技术收集和应用方面的工作,并逐步实验,实施工程实例.目前国际上处于在国际间合作的基础上,加速对CFRP筋进行实用化的研究阶段.在日本,以碳纤维为中心的高性能纤维生产量最多,其CFRP筋成型技术在世界上也处于领先地位.日本建设省及各土木工程协会十分重视CFRP筋的应用开发,1980年代初就成立了以CFRP筋研究开发为主的ACC协会.公路,铁路,海港,市政等工程研究部门设立专项基金资助CFRP筋的研究开发.平成8年由日本土木工程协会颁布连续纤维筋混凝土结构设计规范,使CFRP筋的设计施工逐步规范化,施工实例也逐年增加,1995年施工例达l6件.在美国,近年来各学会广泛开展CFRP筋混凝土研究活动,ASCE在收集CFRP情报的基础上,开始筹备结构构件的设计,施工标准:ACI440委员会把CFRP筋混凝土纳入RC,PC,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):ASTM则制定了相应的CFRP筋材料标准试验方法和材料规格.在加拿大,近年来加强了与日,美,欧等国CFRP筋领域的研究合作,相继建造了BoddingtonsTrail等实用试验桥,并制定了CFRP筋混凝土高速公路桥设计标准.展望CFRP筋今后发展方向,主要在以下几个方面:替代钢筋用于环境条件严酷的混凝土结构中,根本解决钢筋锈蚀问题,提高结构的耐久性;利用CFRP筋的非磁性和电波透过性,用于磁悬浮列车,交通,通信,情报的特殊工程中:由于CFRP筋质量小,可以克服钢筋混凝土结构自重大的制约,发展更大跨度的结构物;替代钢板用于结构物维修加固工程中,不仅可以解决锈蚀问题,而且施工不受场地狭窄的限制;与钢材相比,采用CFRP筋可以节省能源,且保温性能好,有利于环境保护.4结束语CFRP筋是近年来应用于混凝土结构中的一种新型建材,它具有钢材不具备的耐腐蚀,轻质,无磁性等许多优良性能,具有很大发展潜力.目前,国际上正积极开展CFRP筋的研究,开发及实用化工作.在我国也已引起研究机构,高等院校的高度重视,尤其是清华大学,东南大学,同挤大学,中国建筑科学研究院,国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心等20余家单位,近3年来作了大量的结构加强及加固方面的试验工作,取得了多项科研成果,发表论文20余篇(待发表数十篇),完成各项工程60余项(主要应用于一些加固工程中).今年5月份在北京召开了中国首届纤维增强塑料混凝土结构学术会议.中国工程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接近完成.为促进碳纤维在我国工程中广泛应用,希望能得到政府部门,设计与施工单位的大力支持,大力开展CFRP筋设计理论及应用技术的研究工作,缩短和世界发达国家的距离.(下转46页).46.意斜盐竹椎与应用第二十六卷高导热性,高扩散性,另一方面还将热应力抑制在压缩强度之内,而且使萁在晟大300温差的宇宙空间使用变成可行.再有,将该材料用作表皮材料的管子,埋入扳中,根据宇宙开发事业团的安排,预定于2003年所发射的技术卫星型的接地板上适用.(以上毕鸿章稿)(上接29页)参考文献:徐新生,邓宗才,徐爱筑连续圩雏增强混凝土的研究应用,建筑技术开发,1996,5.I21榇新生,李云生高红卫连续圩堆加强材力学性能及姑构性能,山东建材,1999,1.【313丸山武彦,新素材fRP口*了予一【J】七二,.了:,一,1994,(1):563.ThefundamentalpropertiesandthepresentresearchofthecarbonfiberreinforcedplasticsXUXin.sheng,PENGYa.ping,WANGYue,YIAi-jiao2(I_Departmentofarchitecturalengineering,shandonginstituteofbuiingmaterialsJinan,250022,China;2.Shandongcementfactory,Jinan,250022,China)Abstract:ThepaperanalysesthemechanicspropertiesanddesignessentialsofCFRP,introducestheapplicnofCFRPinconcreteconstructionanditsdevelopmentprospectinthefeture.Keywords:CFRP;properties;presentresearch(上接36页)图29施作水泥砂浆完成后之Y型柱