淺談芳綸纖維布在結構加固工程中的應用

摘要：本文主要介紹了路威2008芳綸纖維AFRP復合材料，由于其輕質高強、高彈模、耐腐蝕性能好、不導電、抗沖擊性能好等一系列特點，所以它在結構工程中的應用技術主要是橋梁、隧道、地鐵、海港碼頭工程以及一些工業產房等建筑中有著廣泛的應用領域，特別是在混凝土結構的加固與修復領域。

1、引言

土木工程學科的發展，在很大程度上依賴于性能優異的新材料新技術的應用和發展。如對于傳統的鋼筋增強材料，應尋找一種強度高、重量輕、耐腐蝕和耐久性好的新材料；同時，對于既有結構的加固、維修和改造又要經濟、施工方便、美觀，施工后結構承載力明顯提高等優異的物理力學性能的材料及技術所代替。

土木結構工程常用的FRP復合材料主要有芳綸纖維（AFRP）,碳纖維（CFRP）和玻璃纖維（GFRP），其材料形式主要有片材、棒材和型材。所有的FRP都有一些共同的性質：輕質高強、高彈模、在拉斷前均為彈性，熱膨脹系數低、各向異性、耐腐耐久性能好等，所以在土木結構工程中應用潛力巨大。另外，FRP復合材料使用維護成本低、可以自由裁減、節省材料、施工便捷，雖然其前期投資較大，但從長期投資的角度看效益明顯。

2、材料的基本特性

本文提供了一種新型的用于土木結構工程的材料及相應的技術，路威®2008芳綸纖維，其主要成分是對苯二胺聚合物（PPTA）,其中既含脂肪族主鏈又含芳香族主鏈，所以有牢固的分子結構，路威2008芳綸纖維是由直徑為12um左右的單絲匯集在一起形成的多纖維狀結構，芳綸布是芳綸纖維由單向或雙向排列形成的一種片材，常用的是單向片材，它的力學性能指標主要如下表：

表1 芳綸纖維布（單向）的主要性能指標

它除了具有所有的FRP復合材料共同性質：輕質高強、高彈模、防腐耐久性能好等特點，其次，它還有自己獨特的特點，抗堿腐蝕能力強、不導電、抗動載、抗沖擊性能好,這就使它在海港碼頭工程；絕緣性要求高的場所如地鐵、隧道及電氣化鐵路上路橋的施工；抗疲勞要求高的地方和沖擊大而頻繁的構件等,另外，由于它是一種有機材料，所以和同是有機材料的樹脂的浸透能力比其它FRP材料強，芳綸固化時間是其它FRP材料的1/3-1/4，經濟效益相應就提高了，有著其它FRP材料所不能比的優勢。

3、芳綸布在結構加固工程中應用領域

梁：主要是橋梁和民用建筑或工業產房，加固的方式包括抗彎和抗剪，在進行抗彎加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，已提高梁的承載能力，據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK-40可以提高承載30％左右，貼兩層可以提高40％左右；在進行抗剪加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向垂直。

柱子：芳綸布是一種理想的柱子加固材料，首先，因為芳綸的彈模是118Gpa,相對于碳纖維（彈模230Gpa）,所以它的延性較好；其次，在進行棱角打磨時一般只需要10mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30mm左右，芳綸就可以節約很多工時，最后，由于芳綸布是一種柔軟的布，所以追隨性很好，特別是對于形狀不規則的承臺，芳綸布是一種理想的加固材料。

砌體、板：一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后要不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇。

煙囪、水塔 ：由于象煙囪水塔這樣向高空發展的結構，加固維修特別困難，傳統方法基本上很難解決這樣的問題，而輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的芳綸纖維就是一種很好的選擇。

地鐵隧道：由于地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力與地面結構是不一樣的，在洞頂和洞測都有土的力的作用，而且它也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法可能性很小，用芳綸布進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱定或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求它的修復材料必須具有良好的抗剪性能才行，而且芳綸還是一種不導電的FRP材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。

4、芳綸纖維的應用特性

不導電性：在現代的工程中，如地鐵、隧道、電氣化鐵路以及工業廠房等等，都對絕緣性要求很高，在這些工程的加固補強中，芳綸纖維有著絕對優勢，也給這些領域提供了一個最佳的選擇機會。

耐腐蝕性好：特別是耐強堿腐蝕，這點其他FRP復合材料不能相比的，由于在海水對混凝土結構有很強的腐蝕性，主要是因為里面含氯離子較多的緣故，導致混凝土碳化，鋼筋銹蝕膨脹，所以在一些海港碼頭工程的加固及防護中，芳綸纖維是最佳的選擇。

抗沖擊性：由于芳綸纖維的彈模是118Gpa，延性特別好，它的延伸率為1.8％，所以剛開始時它在國外是用作軍工產品，如防彈衣等。用它加固一些對沖擊性要求很嚴的結構中，如主航道的橋墩等

抗動載抗疲勞性能好：雖然碳纖維的抗拉強度非常高，但由于它是一種脆性材料，只能承受長期的靜荷載，如果長期承受動載，就不能保證它的強度了，芳綸纖維則不受這個限制，早期主要用于軍工產品，而且是防彈衣的主要材料，由于其韌性比較好，所以相應的其抗疲勞能力就非常好，另外，芳綸纖維的抗剪切能力也是所有FRP材料中最強的。

施工方便：主要是以下幾個步驟，表面處理——涂刷底膠——底層浸漬樹脂——粘貼芳綸布——外層浸漬樹脂——表面防護，而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機械設備，一般不需要做倒角，方形柱子的倒角只要做10mm就可以了，因為芳綸是一種有機材料，與樹脂的浸潤性很好，且養護時間很短一般為幾個小時，而類似其它纖維則需要一至二周。

5、各種加固方法的比較

貼鋼板：在用鋼板加固時，一般將鋼板貼在被加固的橋梁結構受力部位的外邊緣，同時封閉粘貼部位的裂縫和缺陷，約束混凝土的變形，但是，采用這種方法加固必須注意幾點：首先，對鋼板的尺寸要求很嚴格，抗彎時宜薄點以保證它和原結構的變形協調，抗剪時則宜厚點，而且在錨固時應使端部鋼板延伸到應力較小區，防止應力集中對結構承載力的損害；其次，貼完后，必須對鋼板邊緣裂縫的進行處理；最后，還要對鋼板進行防腐處理，這也是一項長期的任務，所以綜合起來造價相當高，而且，它的使用范圍還有一定的局限性，一般只用在剛度要求很嚴格的地方。

擴大截面法：這種加固方法的原理在于通過增大受力面積來提高結構的承載力，這種方法一般都用在一些很小而且對凈空沒多少要求的結構中，優點是成本較低，缺點是增加原結構的自重同時凈空減小了，工期長，有很大的局限性，在目前，現在較大的工程都不會用它。

碳纖維：在目前的FRP材料加固市場中，碳纖維占的比例最多，種類也很多，進口的和國產的都有，常用的規格一般為0.11mm的和0.167mm兩種，它的作用機理和我們的路威® 2008芳綸纖維以及其它FRP復合材料基本是一致的，利用其輕質高強、高彈模、耐腐蝕耐久性能好等優勢對結構進行加固，雖然它能很大的靜載，但由于碳纖維是一種易發生脆性破壞的材料，所以如果經常承受動載或沖擊，就不能保證它的強度的發揮了，而芳綸纖維的極限破壞形式為塑性破壞，另外，碳纖維，還是一種導電的材料，所以在絕緣性要求很高的電氣化鐵路、地鐵及隧道工程中，也不宜用它，而同為高強高彈模的芳綸纖維就不存在這樣的局限了，而且還是它的優勢所在，芳綸纖維在抗剪方面也有很大的優勢，在裁剪時就必須用專門的陶瓷剪刀，在加固墩子時一般也是利用芳綸優異的抗剪性能。

6、結論

隨著我國國民經濟的飛速發展，現在及今后相當長的一段時期，各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內的常用的加固方法主要有以下幾種在纖維布復合材料加固、粘鋼板、體外預應力擴大截面等方法，芳綸纖維復合材料具有鮮明的特點，并且由于其性價比明顯優勢，相信會越來越廣泛地被大家關注，成為我們舊危橋加固的應用最廣的新技術。

參考文獻

[1] 飛渭，江世永，彭飛飛，陳正平，李慶楓，陳龍.預應力碳纖維布加固砼受彎構件試驗研究。第二屆全國土木工程用纖維增強復合材料（FRP）應用技術學術交流會論文集，中國.昆明，2002.7