碳纖維筋在工程中應用的生產建議
2005-04-26 00:00
摘 要: 介紹了碳纖維的性能及碳纖維筋的生產工藝, 總結了碳纖維筋的應力應變關系, 對碳纖維筋生產標準提出了建議, 指明了碳纖維筋的發展趨勢。
關鍵詞: 碳纖維; 環氧樹脂; 混凝土結構
Production Suggestion of CFRP Bar in Engineering
Cheng DongHui (Notrheast Forestry University , Harbin 150040) , Tan Qimin (Harbin Urban Construction Company , Harbin 150010)
Cheng DongHui (Notrheast Forestry University , Harbin 150040) , Tan Qimin (Harbin Urban Construction Company , Harbin 150010)
Abstract Properties and productive technology of CFRP were introduced in this paper , Relationships between stress and strain of CFRP were presented , and productive norm of CFRP was put forward.
Key words Carbon fiber polymer ; epoxy resin ; concrete structure
1 前 言
鋼筋混凝土是最主要的建筑結構材料, 通過鋼筋與混凝土之間的相互配合, 使構件具有良好的抗拉、抗壓、抗彎及抗扭特性。但鋼筋的銹蝕和腐蝕仍是一個難以解決的問題, 盡管目前采取了諸如增強混凝土的密實性、控制混凝土的裂縫寬度、在鋼筋表面或混凝土表面涂覆樹脂等措施, 但仍沒有從根本上解決這一問題。特別是在港口工程結構、橋梁工程結構、化工廠等建筑物中, 這類問題尤為突出。為此急需尋找到一種既能防腐又具有良好的力學性能的材料來替代鋼筋。隨著復合材料的出現和發展, 我們發現碳纖維復合材料是一種理想的替代材料。目前碳纖維作為預應力筋來替代鋼筋的方法已在日本和德國等國家得到使用。
我國對碳纖維的研究起步雖然較晚, 但發展迅猛, 碳纖維已應用到土木工程領域的很多方面, 但是目前關于工程用碳纖維筋(CFRP) 的生產及使用性能尚未有統一的標準。本文對碳纖維的生產要求提出建議, 并指出碳纖維在土木工程領域中的發展所急需解決的幾個問題。
2 碳纖維絲和樹脂的性能要求
2.1 碳纖維復絲的性能
碳纖維復合材料筋由兩部分組成: 樹脂基體和碳纖維復絲。其中碳纖維復絲的抗拉強度最高可達5000～6000MPa , 是鋼筋的20倍左右。而其彈性模量按用途不同, 可分為高彈模纖維(模量> 500GPa) 、中等模量纖維(200～500 GPa) 和低模量纖維(100～200GPa) 。
碳纖維復絲的應力應變關系曲線從加載直至破壞都呈線性變化, 而不象鋼筋一樣存在著屈服現象, 故碳纖維復絲可以看作完全彈性體, 破壞形式為脆性破壞。
2.2 碳纖維復絲的選用
一般來講, 碳纖維復絲的抗拉強度要比鋼筋的抗拉強度高出很多, 彈性模量差異性很大, 建議在工程中所用的碳纖維復絲的彈性模量要與鋼筋彈性模量相差不要太大。原因是: 一方面由低彈性模量的碳纖維制成的CFRP 筋會使構件的撓度增大; 另一方面在CFRP 筋作預應力的混凝土受彎構件中,低彈性模量的CFRP 筋會減少由于混凝土收縮和徐變引起的預應力損失, 因此建議在預應力構件中,碳纖維復絲的彈性模量選擇為鋼筋的彈性模量的四分之三左右為宜。
2.3 樹脂基體的性能要求
樹脂基體是纖維復合材料的粘接劑, 作用是將碳纖維復絲粘接成束共同受力, 并在纖維絲間傳遞剪力。因此樹脂基體對碳纖維筋的性能有直接的影響。
對樹脂基體選擇的建議是:
①與碳纖維表面有良好的結合力, 以構成完整的界面;
②有與碳纖維相匹配的彈性模量和斷裂延伸率, 碳纖維筋中受力者雖然是碳纖維復絲, 但其縱向拉深及壓縮的承載力受基體的彈性模量影響很大, 因此建議樹脂基體的拉伸與壓縮強度越高越好;
③具備良好的耐濕性, 碳纖維筋構件的耐濕熱性主要取決于樹脂基體;
④良好的工藝性, 即指樹脂各組成成分的混融性、樹脂體系的成膜性、一定濕度下的粘度流動性、對纖維的浸潤性等。
目前國內用于碳纖維筋的基體樹脂主要是648 # 酚醛環氧、三氟化硼單乙胺和丙酮體系樹脂,這類體系樹脂價格較便宜, 綜合性能好, 但成型后的性能較脆。國內目前已有單位利用TDE - 85 多功能團環氧樹脂對該體系進行改性, 改性后的樹脂基體具有工藝性好、力學性能優異的特點。對使用溫度在- 55～120 ℃范圍內的碳纖維復合材料, 是一種比較理想的選擇。
3 CFRP 筋生產標準的建議
3.1 生產工藝流程
根據碳纖維筋所用的碳纖維原料不同, 碳纖維產品可分為兩類: 一類是通長的( PAN) , 這是從聚丙烯氰纖維中獲得的; 另一種是短節( Pitch) ,是石油或煤焦油融化制成。工程中使用的碳纖維為后一種。替代鋼筋的碳纖維束(CFRP) 是由嵌在環氧樹脂基體中的連續碳纖維組成, 其生產工藝流程是: 先將碳纖維固定在一起, 然后穿過基體浸膠槽, 接著由成型模拉出, 出來后的束狀產品經過固化室, 讓樹脂在室內凝結硬化, 形成碳纖維復合材料筋(CFRP) 。
3.2 CFRP 筋的生產標準建議
為充分發揮碳纖維抗拉強度高的特點, 可將碳纖維以復合繩(Carbon fiber composite cable 簡稱CFCC) 的形式用于預應力工程中。從試驗來看,工程中用的CFCC 的直徑并不是越粗越好, CFCC抗拉強度隨直徑的增加而降低。因為CFCC 束表面處的粘接應力傳遞到中心處會發生剪力滯后現象,過大的橫向剪切荷載將破壞環氧樹脂的粘接力, 導致各根纖維絲的連鎖失效。因此建議廠家在生產CFCC 時應以較小直徑為主, 目前CFCC 形式有單股、7 股、19 股、37 股等, 直徑從3 mm 到40 mm不等, 其中7 股Φ1215 mm 的CFCC 同7 股Φ1214 mm鋼絞線相比, 如表1 所示。
表1 碳纖維筋和PC鋼絞線性能比較
|
種類 |
碳纖維筋 |
PC鋼絞線 | |
|
性能指標 |
單位 |
1×7Φ125mm |
1×7Φ124mm |
|
有效斷面積 |
Mm2 |
76.0 |
92.9 |
|
破壞荷載 |
N |
164000 |
163000 |
|
抗拉強度 |
N mm-2 |
2160 |
1750 |
|
彈性模量 |
N mm-2 |
140000 |
20000 |
|
延伸率 |
% |
1.6 |
3.5 |
|
比重 |
G cm-3 |
1.6 |
7.9 |
|
松弛率 |
% |
1 |
3 |
|
線膨脹系數 |
10-6/℃ |
0.6 |
10 |
4 CFRP 筋力學性能的確定
4.1 CFRP 筋的應力應變關系
CFCC的力學性能及應力應變關系與鋼筋不同。鋼筋從加載至屈服表現出線性變化特征, 屈服之后呈現塑性特性。碳纖維筋由于是由碳纖維絲和樹脂基體兩種材料組成, 它的應力應變關系又與單純的碳纖維絲的純線性變化有所不同, CFRP 筋受力過程可分三個階段: 第一階段, 由于環氧樹脂的抗拉強度遠低于纖維絲的抗拉強度, 因此從加載至環氧樹脂開裂, 在此過程中CFRP 筋中碳纖維絲和環氧樹脂共同受力, 受力過程呈線性變化特征。第二階段是從環氧樹脂開裂至樹脂基體完全破壞, 由于環氧樹脂的塑性特性, 該階段中CFRP 筋呈現塑性變化特征。第三階段是從環氧樹脂破壞直至CFRP 筋受拉破壞, 拉力由碳纖維絲單獨承擔, CFRP 筋呈現碳纖維絲的線性特征, 屬脆性破壞。
因此, CFRP 筋性能的好壞, 既受纖維絲的制約,也受環氧樹脂性能的影響。
4.2 CFRP 筋的抗拉強度與彈性模量
CFRP 筋的極限抗拉強度幾乎只與其組成的纖維有關。值得注意的是, 與鋼絞線相比, CFRP 筋的抗拉強度的離散性比較大, 離異系數達到3.17 ,而鋼絞線的離異系數僅為0.16 , 因此碳纖維筋的生產要給予很高的安全儲備才可以保證其設計強度,我們建議使用三倍的標準差, 此時失效概率可降低到約0.11% , 即:出廠保證強度= 強度平均值- 3σ (σ為標準差)而CFRP 筋的彈性模量由纖維和樹脂的組成來決定, 試驗結果表明: 在靜力荷載下, CFRP 的彈性模量隨荷載的增加而增大。如在200 MPa 下, CFRP的彈性模量為134 GPa ; 而在1200MPa下,彈性模量增加到149GPa。
4.3 CFRP 筋在長期荷載作用下的性能試驗結果表明: CFRP 預應力筋的張拉控制應力取0.165～0.17Pu為宜, 扣除預應力損失后有效預應力為極限強度的50%左右. 在此預應力的范圍內, 可不考慮溫度對CFRP筋的松弛和徐變的影響, 同時CFRP筋的長期應力松弛值很小且與時間成線性關系, 可忽略不計, 但對于重要工程, 應力松弛損失可取3%。
5 CFRP 筋生產和使用存在的問題
價格問題是制約碳纖維發展的首要問題。各國生產廠家都在致力于降低碳纖維的價格, 美國的卓爾泰克公司(ZOLTEK) 生產的PANEX33 - 0048售價為15.64 美元/ kg , 這是目前為止世界上售價最低的碳纖維復合材料。與國外相比, 我國廠家生產的碳纖維售價偏高, 而且在生產中存在不少問題。如: 碳纖維性能不穩定; 離散系數偏大; 沒有高性能纖維; 品種單一, 規格單一; 碳纖維連續長度不夠; 存在毛團和毛絲等, 產品不夠現代化; 大部分國產纖維未經過表面處理, 制成復合纖維, 層間剪力強度偏低等問題。
另一方面, CFRP 在土木工程領域使用前, 仍需解決幾個問題, 如: CFRP 預應力筋在混凝土構件中的錨固方法; CFRP 預應力筋的疲勞強度的確定; 確定CFRP 預應力筋的應力應變的混凝土的設計方法; 考慮CFRP 性能的標準實驗方法以及一個能體現在設計中的, 估計結構材料耐久性的方法。
6 CFRP 預應力筋的發展建議
(1) 大力研究開發低成本的碳纖維技術。降低碳纖維價格的關鍵是采用一般紡織用丙烯氰原絲生產碳纖維和開發大束碳纖維, 把碳纖維價格降低到100 元/ kg 以下, 在我國才有廣闊的應用前景。
(2) 為促進碳纖維在我國工程中的廣泛應用,應大力開展CFRP 筋設計理論及應用技術的研究工作, 制定統一的生產和設計的標準及規格。
(3) 研究擴大碳纖維的應用范圍, 碳纖維要降低價格必須擴大用量, 要擴大用量就必須擴大應用范圍。
參 考 文 獻
[1 ] 王 鶴. 工程事故處理手冊(第二版) [M] . 北京: 中國建筑工業出版社, 1998 , 553～561.
[ 2 ] CECS25 : 90 , 混凝土結構加固技術規范[ S] .
[3 ] 陳世昌. 混凝土構件粘剛加固在高層建筑中的應用[J ] . 四川建筑科學研究, 2000 , 26 (2) : 26～28.
[4 ] 張宏祥, 江阿蘭. 碳纖維材料加固橋梁結構新技術[J ] . 森林工程, 2001 , 17 (4) .
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