纤维增强材料在土木工程之应用
1、绪论
由于受到温度、湿度、氯离子等侵蚀因素的影响，碱性混凝土逐渐中性化，导致钢筋失去了保护，造成钢筋混凝土结构耐久性的降低。目前，很多国家都在研究提高混凝土结构耐久性的方法。钢筋锈蚀引起耐久性降低的问题是土木工程中普遍存在的主要问题之一。在美国所有混凝土结构的破坏中，钢筋锈蚀破坏可占到20ry0，即每5座钢筋混凝土建筑物中，就有1座因为钢筋锈蚀导致整个结构的破坏。工程结构的大量损害会增加修补加固费用的投资，据统计欧洲一些国家每年用于修复由于钢筋耐久性不足而损坏的构件需要花费上十亿英镑。钢筋腐蚀能造成严重的危害，国内外许多专家学者对混凝土结构的抗腐蚀性问题进行了深入研究，通过对钢筋各种腐蚀过程的机理研究，努力寻找提高保护钢筋的方法。研究方法从混凝上的宏观结构延伸到微观结构、破坏机理及防护措施等诸多方面。目前，防护方法的研究已经取得一定的进展，如采用钢筋阻锈剂、在钢筋表面电镀一种保护膜或采用环氧涂层钢筋。人们从使用环氧树脂作为钢筋保护膜的方法中得到提示，开始研制纤维增强复合材料。纤维增强复合材料是以纤维为增强材料的树脂基复合材料，可分为纤维增强聚合物布、网、板、筋。纤维采用玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等高弹模人造纤维。聚合物采用环氧树脂、聚醋或其他高强度高粘结性的树脂。纤维增强复合材料最早于20世纪80年代由日本首先开发，近20年发展很快，其应用可分为三类:一是独立地建造轻型结构，如过街天桥、具有特殊要求的建筑物;第二种是用于混凝土结构的修补加固，特别是梁、板的弯拉加固，梁、柱的抗剪加固以及柱子的抗震加固，具有施工简便、避免噪声和粉尘污染、不破坏结构外形、不增加结构自重的优点;第三种是作为筋材和网材代替钢筋，建造混凝土和预应力混凝土结构，开创混凝土结构新体系。纤维增强复合材料受到纤维性能、产品形式不同的影响，其应用情况也各具特点，故进行系统化研究纤维增强复合材料的应用范围具有现实意义。
1.1纤维增强复合材料
纤维增强复合材料由增强材料和基体材料组成，高性能纤维为增强材料，合成树脂为基体材料。纤维具有很高的抗拉强度，是纤维增强复合材料强度的主要提供者，主要起承受荷载作用，分有机纤维和无机纤维两种，有机纤维主要包括芳纶纤维、混杂纤维;无机纤维主要品种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。基材有粘结、传递剪力的作用，其物理性质可以影响纤维增强复合材料的物理性质。纤维增强复合材料中常用的基材包括不饱和聚酷树脂、乙烯基醋树脂、环氧树脂、聚酞胺树脂等。目前，工程中采用的纤维增强复合材料主要有玻璃纤维增强复合材料、钢纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料和混杂纤维增强复合材料等。纤维增强复合材料根据产品形式分为纤维增强聚合物筋，纤维增强聚合布、纤维增强聚合格栅等。根据连续纤维的类型、基体材料的性质、所掺入辅助剂的性能、纤维含量和纤维的截面形式等因素确定纤维增强复合材料的物理力学性能。
1.2纤维增强复合材料一般的物理力学性能
纤维增强复合材料是各向异性材料。成分的不同物理性能差别可能很大，例如纤维的方向，当纤维方向与复合体受力方向一致时，增强效果最佳;反之，当纤维方向与复合体受力方向垂直时，增强效果最小。纤维增强复合材料与许多材料一样，其力学性能与受载时间、受载情况、温度和湿度等因素紧密相关。纤维增强复合材料的密度都比较小，例如，钢材的密度是7850k留m3，纤维增强聚合物筋材料密度是钢材密度的1/7一1/5，在相同直径下纤维增强聚合物筋质量大大低于钢筋，故其混凝土结构比钢筋混凝土结构的自重轻，需求量相同的情况下，纤维增强聚合物筋相比钢材运输成本低。纤维增强复合材料是脆性材料，其抗拉强度很高，应力应变关系是线性关系，在破坏前无任何实质性的屈服变形。以纤维增强聚合物筋为例，纤维增强聚合物筋具有较高的比强度，能够降低地震作用，施工强度降低，节约人力成本。纤维的种类、含量和树脂种类等不同，会影响纤维增强聚合物筋的纵、横向热膨胀系数;纵向热膨胀系数一般受纤维控制，横向热膨胀系数由树脂基体控制，通常横向热膨胀系数比纵向热膨胀系数大。纤维增强聚合物筋混凝土构件是一种复合构件，在二者协同工作时，由于两种材料在热应力下的性能相近，所以混凝土和纤维增强聚合物筋的产生的变形差较小。即当环境温度发生变化时，产生的温度应力不会破坏纤维增强聚合物筋与混凝土的粘结，保证纤维增强聚合物筋混凝土构件的安全性。纤维增强复合材料的基体材料可以是热固性树脂或热塑性树脂。两者的区别在于热固性树脂的分子结构在受热时会分解，因此这种树脂制成的纤维增强复合材料是一次成型不能弯曲。而用热塑性树脂制成的纤维增强复合材料可以使用加热、催化剂、加压等方式来弯曲。基于树脂基体的可塑性，纤维增强复合材料制作成布状，此产品应用于砌体结构的修复。
2、纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的计算
衡量纤维增强聚合筋混凝土梁正截面抗裂性能的.主要指标之一是抗裂度。抗裂度也是纤维增强聚合物筋混凝土梁裂缝宽度、挠度及其预应力混凝土构件力学性能计算的主要参数。开裂是因为混凝土的极限拉应变很小，在荷载作用下受拉区混凝土全部开裂，使构件的刚度降低，变性增大。目前，国内外对钢筋混凝土梁正截面抗裂度的试验研究有很多，理论和实践应用都趋于成熟，相关的计算方法、公式也己列入规范中。但是，纤维增强聚合物筋还属于新型材料，对其性能的相关研究很少，大多还处于试验研究阶段。因此，本章进行纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面抗裂度的研究。本章是基于62根玻璃纤维增强聚合筋混凝土梁和钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究[6，7]，得出了适合于纤维增强聚合物筋混凝土梁脆性破坏特征的受弯承载力的计算方法，对建立与我国现行的结构规范相衔接的纤维增强聚合筋混凝上梁受弯承载力的计算方法与计算公式具有一定的参考价值。本章在试验数据的基础上，研究了与钢筋混凝土梁抗裂度计算公式相协调的纤维增强聚合筋混凝土梁正截面抗裂度的计算方法，推导出相关的计算公式，在今后的相关结构工程设计领域里有一定参考价值。
3、纤维增强聚合物筋混凝土梁正截面承载力的计算方法.......15
3.1纤维增强聚合筋配筋率对极限承载力的影响................15
3.2极限承载力计算模型的建立......17
3.3单筋、双筋矩形截面承载力基本计算公式......21
3.4本章小结........23
4、纤维增强复合材料耐久性的研究....24
4.1纤维增强复合材料中纤维材料的特性分析......24
4.2纤维增强复合材料基体材料的特性分析........26
4.2.1基体材料的基本组分及作用......26
4.2.2基体材料的性能分析......26
4.3纤维增强复合材料腐蚀机理研究....27
4.4与钢筋耐久性的对比....29
4.5本章小结........30
5、纤维增强聚合物筋在土木工程中的应用研究........32
5.1纤维增强聚合物筋的组成和制备工艺........32
5.2纤维增强聚合物筋的力学性能........32
5.3纤维增强聚合物筋在土木工程中的应用研究.....35
5.4本章小结......42
6、结论
近年来人们对工程项目的安全性要求越来越高，在某些特殊环境下，传统的钢材和砌块已经很难满足结构承载力要求。本文在有限的试验数据的基础上，研究了混凝土梁正截面受力性能，通过对纤维增强聚合筋混凝土梁正截面受力性能比较系统的研究得到了一些结论。本论文研究的主要成果为:
a)纤维增强复合材料为脆性材料，抗拉强度高，破坏时变形小，其应力与应变关系为线性关系。复合材料的力学性能与组成物的性质、含量紧密相关，通常纤维的体积含量对整个材料的强度影响较大，表现在纤维增强复合材料的抗拉强度随纤维直径的变化而变化。
b)纤维增强聚合筋配筋率对开裂弯矩的影响不大。当截面开裂时，纵向纤维增强聚合筋所受的应力很小，其混凝土梁的开裂弯矩的大小主要取决于混凝土抗拉强的大小。根据现行混凝土结构设计理论，深入的研究了纤维增强聚合筋混凝土梁正截面受弯性能，建立了纤维增强聚合筋混凝土梁正截面抗裂度的计算公式。
参考文献
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