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1、FRP约束混凝土力学性能，研究进展及工程应用,主要内容,FRP的简单介绍 FRP的力学性能 CFRP补强加固混凝土梁 FRP的工程应用 FRP的研究进展,FRP的简单介绍,FRP : Fiber Reinforce Polymer 纤维复合材料,纤维增强复合材料(FRP, Fiber Reinforced Polymer)被誉为继混凝土材料之后的又一种重要结构材料,尤其在结构加固技术方面具有轻质高强、施工便捷、维护方便、耐久性好等优点,已成为桥梁工程、房屋建筑等加固改造的研究和应用的热点之一。,混凝土柱修复加固常用的FRP材料用于结构修复加固的增强纤维主要有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFR
2、P)、芳纶纤维(AFRP)和高弹模碳纤维(HFRP)。 芳纶纤维是一种人造合成有机纤维，由芬芳聚酰按单向排列而成。芳纶纤维有三种：Kevlar纤维（美国杜邦公司）、Twaron纤维（荷兰特瓦龙公司）、Technora纤维（日本帝人公司）。芳纶纤维分为高强和高弹性模量两种。突出优点是具有较好的韧性，主要缺点是抗压强度较低，大约为其抗压强度的1/8。此外，对紫外线和湿气较敏感。,玻璃纤维分为无碱玻璃纤维（E-玻璃）、中碱玻璃纤维（C-玻璃）、高碱玻璃纤维（A-玻璃）、高强度玻璃纤维（S-玻璃）及高弹性模量玻璃纤维（M-玻璃）等。E-玻璃纤维和S-玻璃纤维是土木工程中常用的玻璃纤维。玻璃纤维的主要优
3、点是价格便宜，突出缺点是弹性模量相对较低、不耐碱，长期受力情况下易于断裂。近年来通过增加氧化铝的含量来生产一种耐碱型的玻璃纤维AR纤维。,碳纤维有聚丙烯腈（PAN）基、粘胶基及沥青（Pitch）基三种碳纤维，目前用的最多的是PAN基碳纤维。此外，按碳纤维力学性能可分为高强度和高弹性模量的碳纤维。碳纤维丝束是由大量连续、没有缠绕的纤维丝组成。碳纤维的结构完全不同于石墨的六面体结构。通常说的石墨纤维代表纤维含碳量在99%以上，而碳纤维则在80%95%。碳纤维的缺点是各向异性，价格比较高。,近年来，将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及环氧树脂按照一定的比例制成一种新结构的纤维混杂纤维，HFRP的弹性模量是
4、钢的23倍,可有效提高混凝土构件的承载力和刚度,应用较为广泛,但其断裂延伸率较低,加固的混凝土构件破坏具有一定的脆性。,FRP中常用的树脂是环氧树脂EP、乙烯脂VE、聚脂UP，密度一般是1.11.4g/cm3。树脂的主要作用是将纤维粘结在一起填充纤维间的缝隙，传递纤维间的力，防止在压力作用下纤维屈曲，同时还可以保护纤维。树脂一个重要的力学性能指标是树脂的延伸率。,树脂的主要力学性能,选择树脂时，树脂的延伸率要大于纤维的延伸率，这样才能保证纤维断裂前树脂不发生破坏。,FRP的品种,FRP布：粗纤维按照一定的方向编制而成的纤维布，没有经过树脂浸渍的布通常称为“干布”。,根据编织方式：平纹布、斜纹布
5、、光面布。 方向性：单向纤维布、双向纤维布、多向纤维布。 还可分为机织布、非机织布。,FRP板材：将树脂、纤维丝按照一定的比例通过高温固化挤压而形成的，包括FRP板、FRP板条。宽度相对宽的就是FRP板，宽度相对较小的称为FRP板条。FRP板材可以应用在梁的抗弯加固及抗剪加固中，在抗剪加固中还可以使用“L”形FRP条带。,FRP型材：将纤维及树脂按照一定比例采用拉挤或缠绕工艺而制成的。FRP型材按照截面形式可以分为工字形、L形、槽型、圆形及矩形。,FRP棒材：可以分为FRP筋和FRP格栅。 FRP筋按其外形可以分为带肋钢筋、表面磨砂筋及缠绕磨砂筋3种类型。 FRP筋是将多股连续纤维以环氧树脂等
6、作为基底材料进行咬合，此后经过特制的模具挤压、拉拔成型。,FRP格栅式FRP筋按照一定的方向组合而成的增强材料，有三维空间结构和二维平面结构两种。FRP格栅用于混凝土构件中作为抗弯、抗剪的增强材料，也可用于混凝土构件的体外加固材料。,FRP短纤维：由纤维长丝短切而成，其基本性能主要取决于原料纤维长丝的性能。较长丝而言，短纤维具有分散局黁、喂料方式多样、工艺简单的有点，所以可以应用于长丝所不能适合的领域。,将FRP短纤维加入混凝土或砂浆中可以有效地防止由于混凝土（砂浆）固塑性收缩、干缩、温度等因素引起的微裂缝，抑制裂缝的开展，大大改善混凝土的抗裂、抗渗性能、抗冲击及抗震能力，可以广泛地应用于地下
7、工程、工业与民用建筑工程、道路及桥梁工程中。 将长度为25cm的短纤维通过化学粘结和机械作用可以制成一种薄片材料FRP毡垫，毡垫通常宽5cm2m，宽度大约是0.5kg/m2。,从混凝土浇筑和FRP材料粘贴的时间顺序看,FRP材料对核心混凝土的约束方式主要有两种:一种用FRP布或FRP条带缠绕在既有混凝土柱表面;另一种以混凝土填充FRP布预制管 以FRP布或条带缠绕在既有混凝土柱表面是一种良好的修复加固方法,可以提高既有混凝土柱的承载力、延性和能量耗散能力。可是,现场缠绕的FRP的粘贴层可能存在以下不足:1)粘结剂涂刷不均匀;2)粘结剂不饱满,粘贴层内有气泡;3)缠绕不规则,纤维错列;4)碾压不
8、连续匀称,有皱褶;5)局部纤维破损;6)未按材料要求养护等。,这些都会降低FRP粘贴层的工程性能。与此同时,核心混凝土通过粘贴界面向粘贴层传递一部分轴向应力,FRP处于环向拉伸和纵向受压的双向应力状态,断裂应变减小。荷载偏心和应力集中也会导致FRP粘贴层过早破坏,断裂应力远小于材料的极限拉伸强度。,FRP的力学性能,物理性能,FRP的密度范围是1.252.1g/cm3，是钢筋密度的1/61/4，密度低可以减轻FRP的重量，使其易于运输，便于在施工现场安装。,纤维种类、纤维含量和树脂种类是影响FRP线膨胀系数的主要因素。FRP的纵向线膨胀系数和横向线膨胀系数有所不同，纵向线膨胀系数主要受FRP纤
9、维性能的影响，而横向线膨胀系数主要受树脂性能的影响。,关于FRP 的耐高温性能，美国FRP加固混凝土结构设计指南FRP筋混凝土结构设计指南中建议不宜将FRP使用在高温结构中。火灾发生时，FRP筋埋在混凝土中，因此不能燃烧。但是在高温状态下，暴露在外面的FRP将软化。FRP软化的温度称为“格拉斯转变温度Tg”,主要取决于树脂的种类，通常是在65120。当温度超过Tg后，由于分子结构的改变，FRP的弹性模量将大大降低。试验结构表明，温度在250 时，GFRP、CFRP的强度损失超过20%，抗剪强度和抗弯强度也将大大降低。,对于FRP筋混凝土结构，FRP筋与混凝土之间的粘结是通过表面的化合物来保持的
10、。当温度接近Tg时，表面化合物的力学性能将大大降低，不再传递FRP 筋与混凝土之间的粘接力。试验结果表明，当温度为Tg时，拉拔粘结强度降低了20%40%；温度为200 时，拉拔粘结强度降低了80%90%。Okamoto等在1993年的试验结果表明，在持载作用下，温度分别达200 、300 时，AFRP筋、CFRP筋混凝土梁发生了破坏。Sakashita等在1997年的试验结果表明，当温度为250300 ，FRP筋混凝土梁发生破坏。,基本力学性能,FRP是一种各向异性材料，与纤维主要受力方向平行（轴向）是FRP的主要方向。影响FRP力学性能的主要因素是FRP的体积率、树脂、纤维方向、尺寸效应、质
11、量控制及制造过程等。FRP的基本力学性能指标包括抗拉强度、抗压强度及粘结性能。,抗拉强度,在FRP中，纤维承受荷载并提供材料的刚度，树脂主要起到传递纤维间力和保护纤维的作用。图示给出纤维、树脂及FRP的应力-应变关系曲线。,可看出，FRP的轴向拉伸力学性能表现为线弹性关系，主要因为组成FRP的纤维为线弹性材料。FRP的极限强度要低于纤维极限强度。FRP和纤维的极限拉应变均小于树脂的极限拉应变，这样可避免纤维断裂前树脂发生破坏。,FRP的拉伸试验,试验结果表明，FRP的拉伸破坏模式有纤维断裂、树脂开裂、部分界面粘结破坏、纤维与树脂发生剥离在各种应力水平下，AFRP和GFRP的破坏模式基本相同，均
12、表现为纤维断裂，而CFRP的破坏模式表现为上述几种破坏模式。,纤维的体积率影响FRP的抗拉强度和弹件模量，对于单向FRP，其抗拉强度及刚度可参照下式计算：,对于在施工现场采用干铺体系的施工方法，树脂的使用量、纤维的体积率是不确定的，按照上述两式计算FRP的弹性模量和抗抗强度将造成一定的误差，最好的方法是对FRP进行单向拉伸试验，确定义抗拉强度平均值。,抗压强度,FRP的受压破坏模式有横向受拉破坏、纤维微屈曲破坏及受剪破坏，影响受压破坏模式的主要因祟是纤维种类、纤维含量及树脂种类。FRP的抗压强度相对于其抗拉强度要低。GFRP、CFRP、AFRP的抗压强度分别是其抗拉强度的55、78、20。,通
13、常情况下，FRP的抗压强度随着FRP的抗拉强度增加而增大。 FRP的抗压弹性模量比其抗拉弹性模量要小，原因是内部纤维的微屈曲。GFRP、CFRP、AFBP的抗压弹性模量分别是其抗拉弹性模量的80、85、100。,粘结性能,无论将FRP应用在新建结构还是作为补强加固材料，FRP与混凝土之间的粘结无疑是非常重要的一个方面，粘结性能直接影响结构的使用性能和承载能力。影响粘结性能的主要因素有FRP形式、材料性能、几何尺寸及FRP表面形状等。,FRP筋与混凝土的粘结主要由三部分组成：1.FRP筋与混凝土的表面粘结力、即化学粘结力 2.FRP筋与混凝土接触面上的摩擦力： 3.FRP筋表而不平产生的机械咬合
14、力。,长期性能,徐变断裂: 在持续不变的荷载作用下经历一段时日(耐久时间)，FRP突然断裂的现象称为FRP的徐变断裂。相对来说，钢筋不存在徐变断裂的现象，除了钢筋在较高的温度环境下，如火灾作用下。随着持续荷载作用时间的增加，FRP的耐久时间逐渐减少。在恶劣环境下(高温、紫外线辐射、高碱、干湿循环、冻融循环等)，耐久时间也相对有所减少。在FRP中，CFRP不易发生徐变断裂，而GFRP最易发生徐变断裂。,疲劳性能: FRP不易发生疲劳破坏，且不易受外界环境的影响，除非是纤维与树脂界面之间的粘结作用在外界环境下发生退化。已有的试验结果表明，每十年的对数时间，CFRP、GFRP、AFRP相对于其静力强
15、度值分别降低了58、10%、56。经过200万次的疲劳循环后，CFRP、AFRP的剩余强度分别为其静力强度的5070、5473： 影响疲劳寿命的主要因素有荷载频率、平均应力、应力比和外界环境等。试验结果表明，疲劳寿命与荷载频率成反比。,频率越高，纤维与纤维之间的摩擦越大，温度越高，疲劳寿命降低。例如频率是1Hz的荷载，疲劳寿命是频率为5Hz的荷载的十倍。平均应力和应力比也会影响FRP的疲劳寿命。试验结果表明，平均应力较高或应力比较低将减少FRP的疲劳寿命。,耐久性能,耐久性能是FRP长期性能的个重要方面，对FRP耐久性能的研究主要是通过室内加速试验来推断FRP的长期性能：试验结果表明，CFRP
16、表现出良好的耐久性能；GFRP的耐碱性能比较差，而耐酸性能和冻融循环性能比较好；AFRP除了疲劳性能、紫外线辐射及耐酸性能较差外，其余环境条件下的耐久性能比较好。,由于树脂的存在FRP的耐久性能要优于纤维的耐久性能。将碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维浸泡在温度为40的NaoH溶液中，120d后剩余强度分别为原强度的95、92、15，而将FRP筋浸泡在同样的NaOH溶液中，120d后剩余强度分别为原强度的100、98、29。,抗腐蚀性能,各种FRP筋均具有非常良好的抗腐蚀性能,适合在强腐蚀环境中工作。结构耐久性能好,后期维修成本低。长期处于酸、碱、盐及潮湿、紫外线等环境中的性能很少降低,因此适合在恶劣环境中使用。对于水利工程、桥梁、码头等潮湿环境或其它侵蚀性环境中工作的结构构件, FRP筋非常适合于用作为钢筋的替代材料,还是对结构构件进行加固处理良好材料。,FRP缺点,1.光面FRP筋粘结强度差光面FRP筋与混凝土之间的粘结强度极低,因此除无粘结FRP筋预应力混凝土外,必须采用螺纹FRP筋。 2. 抗剪强度较低一般FRP筋的抗剪强度仅有5060MPa,不超过抗拉强度的10%,可以很容易地被剪断。故在进行FRP筋材料试验以及将FRP筋作为预应力筋时,需研制专门的锚、夹具。,
