新世纪 混凝土结构 对新材料的挑战Word下载.docx
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发展之快数量之巨今世界各国惊叹不已。
在过去50年的工程建设中常见的是混凝土结构和钢结构其次是砌体结构和玻璃结构尤其在城乡建筑中。
在新世纪的土木工程建设中仍将以混凝土结构为主尽管钢结构包括型钢混凝土和钢管混凝土结构以及满足透明等现代要求的第三代玻璃幕墙结构在各地的高层、超高层建筑和大跨度建筑中也将有新的发展。
新世纪混凝土结构的发展在很大程度上有赖于新材料的发展和应用。
在新世纪混凝土结构的发展中对材料提出了新的要求发出了新的挑战。
我认为新要求新挑战概括起来是以下四方面:
1.不仅要求新浇筑的混凝土高强度而且要求高性能包括:
混凝土的延性良好的施工性以及使用的耐久性这就要求研制和应用各种混凝土外加剂和有关材料;
2.要求寻找一种能抗腐蚀的配筋材料代替混凝土结构内的中、低强钢筋（配置于普通钢筋混凝土结构）和高强钢丝、钢绞线（配置于预应力混凝土结构）;
3.对既有混凝土结构的加固、修补要有新的材料。
应用之后不仅使加固后的混凝土结构承载力高而且加固施工也较便捷;
4.从环境条件和可持续发展出发要求废旧混凝土结构材料能回收并再生利用。
国内外已有的研究和工程应用表明高性能纤维产品是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料。
它能接受并部分完成上面四个新要求、新挑战中的三个。
二、高性能纤维制品-新世纪的一种结构材料
近几年国际上已开发了多种高性能非金属加强材料-纤维加强塑料（FRP）。
这些新型加强材料包括:
玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）、碳纤维（CFRP）。
不同纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而成相应的纤维加强塑料。
其最显著的特性是:
-抗腐蚀能力强即耐久性好;
-自重小且具有很高的材料抗拉强度即质强比高;
-弹性变形能力和抗疲劳能力强但GFRP筋的较钢筋低;
-较高的电阻和较低的磁感应。
但是它们也有缺点:
-成本较高;
-脆性断裂应变小。
这些高性能产品的力学性能以及它们与钢材的比较可见下面的简表:
FRP的力学性能及其与钢材的比较（纵向）*
钢筋钢绞线GFRP筋GFRP索CFRP索AFRP索
抗拉强度
（MPa）4901890525175016802100
屈服强度
（MPa）2801400////
受拉弹性模量
（GPa）210180564216849-154
极限伸长
（mm/mm）0.100.040.035-0.050.03-0.0450.01-0.0150.02-0.025
热膨胀系数
10-6/c°
11.711.79.99.90/
比重7.97.91.5-2.02.41.5-1.61.25
*）摘录自ACI杂志的有关资料
FRP材料在航空工业和国防建设中早已得到应用在体育事业中也有应用。
因为它的质强比高化学稳定性强。
不过过去FRP在工程结构中应用得还不算多因为它们的优点被昂贵的材料价格和制作费用所抵销了。
但是最近这种状况有了改变。
因为随着工艺上的改进经济性有了好转。
然而目前看来CFRP比AFRP、GFRP在土木工程中更有应用前景。
因为它的性能好而稳定而且其原材料几乎可以无限制地得到它的乱向短纤维加入混凝土中可大大提高混凝土的抗裂性延性和承载力。
将CFRP筋配置在混凝土内可取代钢筋从而混凝土结构即使处于较恶劣的环境下也没有被腐蚀的危险。
如果制成索即CFRP绞线去代替钢绞线制作先张法或后张法预应力混凝土结构更是土木工程师们一直在寻找的。
用CFRP制成的布或薄板贴于混凝土结构的外表面其加固效果十分理想不仅可大大提高受弯、受剪或受扭以及受压承载力而且能减少裂缝宽度甚至可增加刚度。
同时CFRP索是钢质土层锚杆、岩石锚杆的优质代用品它不受酸碱介质的侵蚀使用期间不会发生更换之类的事故。
此外还应提及如果将CFRP索代替钢索去建造悬索桥则会出现这样的情况:
用钢索建造时只能跨越1000m而用CFRP索可跨越2000m。
因为悬索桥上悬索的自重在总荷载中占有相当的比例而CFRP的比重只有钢索的1/5。
三、CFRP在土木工程中的应用历史和现状
1.如上所述碳纤维及CFRP在土木工程中应用有多种形式;
-C–乱向短纤维加入混凝土中可大大提高混凝土结构的多种性能;
-CFRP筋可代替普通钢筋建造新的混凝土结构;
-CFRP预应力索、绞线可取代钢绞线;
建成预应力结构或单独使用于锚杆及悬索
桥等结构中;
-CFRP布、CFRP薄板可用于既有混凝土结构工程的加固-CFRP技术是二战之后出现的。
2.国内外对CFRP的研究及应用历史和现状
二十世纪60年代为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题美国Marshall–Vega公司生产出一种GFRP加强筋用于混凝土结构。
可以说这是对CFRP研究和应用的开始。
从七十年代末起开始了这种产品的商业应用。
八十年代初FRP加强筋逐渐大量地应用于有特殊性能要求的结构物尤其是受有严重化学侵蚀的结构物。
例如对于有磁共振图象医疗设备的混凝土结构物传统的钢筋混凝土就不能使用而选择无磁性的GFRP加筋混凝土是很合适的。
此外在一些海堤、工业厂房屋面板、处于侵蚀性环境的混凝土楼板等FRP产品越来越得到广泛的应用。
在1978年StrabagBauAG和BayerAG合作生产出一种称为polystal的筋主要由体积率为68%的玻璃纤维32%的树脂组成。
1986年第一座配置有这种预应力绞线的桥建成通车。
这是一座跨度分为21.3m与25.6m的连跨结构桥一共使用了59根绞线每根包括19根这样的材料单位面积可提供600kN的力。
板厚是150mm这种体系也被应用到其它的公路桥上。
1983年荷兰AKZO与HBG决定合作研究以芳族聚酰胺纤维为材料的预应力构件并起了个商业名字叫ArapeeArapee包含有成束的裹在环氧树脂中的芳族聚酰胺纤维。
制作的构件形状有条状和圆柱状。
实际工程中的应用是很有限的。
主要集中在截面尺寸较小的部位。
因为与普通钢筋混凝土构件相比用Arapee制作的构件不需要混凝土的保护层这样就可以减小截面的尺寸。
加拿大第一座预应力公路大桥是中央大街大桥由采用CFRP预应力绞线的大梁组成。
这座桥在1994年完工两跨斜拉式结构使活荷载均布。
这座桥的两跨跨度分为22.83m和19.23m每跨由13根圆头T形预制梁与一块150mm厚的现浇板组成。
同样在荷兰为了获得这种预应力CFRP材料在桥梁中应用的实践经验在交通市政与水管理部分赞助下进行了研究Dontethaven大桥就是这一计划的一部分。
这座桥净跨为192m。
采用悬臂平衡法施工。
计划用4根91股φ5的CFRP线材所组成的绞线代替相应的预应力钢绞线。
两根短的试验绞线将持荷两年以观察其长期和短期性能。
用CFRP布或板进行混凝土结构加固的技术在一些国家已经很成熟了。
我国在土木工程中应用CFRP材料的研究与制备开始得较早几乎与国外同步。
但因种种原因发展较慢。
只是最近五年FRP的研究和应用有了较大的发展。
由上可见尽管FRP是一种性能优良的、新的混凝土结构的加强材料但是由于国内外对它们的研究还较少其应用也不多。
因此很需要我们去进一步研究与开发。
四、对于FRP土木工程师应做些什么?
对于FRP-一种新的结构材料及产品我们土木工程师应做些什么?
这是一个很值得研探的问题。
我初步考虑至少应做三方面的工作:
1.进一步研究FRP包括研究:
（1）FRP的力学和化学性能减少它们的脆性促进其合理应用;
（2）FRP筋的配筋混凝土结构性能,包括弯、剪、扭承载力约束作用延性及使用性;
（3）研究FRP索的预应力混凝土结构性能及锚固技术和工艺;
（4）研究贴于混凝土结构外表面加固后的受力性能包括其承载力、延性、疲劳性能及界面特性等。
2.在研究的基础上一方面组织编制FRP的设计与施工规程另一方面积极开展工程应用不仅增加工程应用数量而且扩大工程应用范围。
只有增加应用量、扩大应用面才能促进FRP价格的下跌从而又推动其工程应用。
3.促进FRP的国产化和产业化
最后应强调:
推广应用FRP并不意味着钢材地位的降低因为钢材不可能被完全替代。
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