碳纖維筋在工程中應(yīng)用的生產(chǎn)建議

摘　要: 介紹了碳纖維的性能及碳纖維筋的生產(chǎn)工藝, 總結(jié)了碳纖維筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系, 對(duì)碳纖維筋生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)提出了建議, 指明了碳纖維筋的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞: 碳纖維; 環(huán)氧樹脂; 混凝土結(jié)構(gòu) Production Suggestion of CFRP Bar in Engineering

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(jié)構(gòu)材料, 通過(guò)鋼筋與混凝土之間的相互配合, 使構(gòu)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(gè)難以解決的問(wèn)題, 盡管目前采取了諸如增強(qiáng)混凝土的密實(shí)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(wèn)題。特別是在港口工程結(jié)構(gòu)、橋梁工程結(jié)構(gòu)、化工廠等建筑物中, 這類問(wèn)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(xué)性能的材料來(lái)替代鋼筋。隨著復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展, 我們發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料是一種理想的替代材料。目前碳纖維作為預(yù)應(yīng)力筋來(lái)替代鋼筋的方法已在日本和德國(guó)等國(guó)家得到使用。
我國(guó)對(duì)碳纖維的研究起步雖然較晚, 但發(fā)展迅猛, 碳纖維已應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域的很多方面, 但是目前關(guān)于工程用碳纖維筋(CFRP) 的生產(chǎn)及使用性能尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)碳纖維的生產(chǎn)要求提出建議, 并指出碳纖維在土木工程領(lǐng)域中的發(fā)展所急需解決的幾個(gè)問(wèn)題。
2 　碳纖維絲和樹脂的性能要求
2.1 　碳纖維復(fù)絲的性能
碳纖維復(fù)合材料筋由兩部分組成: 樹脂基體和碳纖維復(fù)絲。其中碳纖維復(fù)絲的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)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(fù)絲的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(xiàn)象, 故碳纖維復(fù)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(fù)絲的選用
一般來(lái)講, 碳纖維復(fù)絲的抗拉強(qiáng)度要比鋼筋的抗拉強(qiáng)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(fù)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(huì)使構(gòu)件的撓度增大; 另一方面在CFRP 筋作預(yù)應(yīng)力的混凝土受彎構(gòu)件中,低彈性模量的CFRP 筋會(huì)減少由于混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失, 因此建議在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中,碳纖維復(fù)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(fù)合材料的粘接劑, 作用是將碳纖維復(fù)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(duì)碳纖維筋的性能有直接的影響。
對(duì)樹脂基體選擇的建議是:
①與碳纖維表面有良好的結(jié)合力, 以構(gòu)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(fù)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(qiáng)度越高越好;
③具備良好的耐濕性, 碳纖維筋構(gòu)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(dòng)性、對(duì)纖維的浸潤(rùn)性等。
目前國(guó)內(nèi)用于碳纖維筋的基體樹脂主要是648 # 酚醛環(huán)氧、三氟化硼單乙胺和丙酮體系樹脂,這類體系樹脂價(jià)格較便宜, 綜合性能好, 但成型后的性能較脆。國(guó)內(nèi)目前已有單位利用TDE - 85 多功能團(tuán)環(huán)氧樹脂對(duì)該體系進(jìn)行改性, 改性后的樹脂基體具有工藝性好、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)。對(duì)使用溫度在- 55～120 ℃范圍內(nèi)的碳纖維復(fù)合材料, 是一種比較理想的選擇。
3 　CFRP 筋生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的建議
3.1 　生產(chǎn)工藝流程
根據(jù)碳纖維筋所用的碳纖維原料不同, 碳纖維產(chǎn)品可分為兩類: 一類是通長(zhǎng)的( PAN) , 這是從聚丙烯氰纖維中獲得的; 另一種是短節(jié)( 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(huán)氧樹脂基體中的連續(xù)碳纖維組成, 其生產(chǎn)工藝流程是: 先將碳纖維固定在一起, 然后穿過(guò)基體浸膠槽, 接著由成型模拉出, 出來(lái)后的束狀產(chǎn)品經(jīng)過(guò)固化室, 讓樹脂在室內(nèi)凝結(jié)硬化, 形成碳纖維復(fù)合材料筋(CFRP) 。
3.2 　CFRP 筋的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)建議
為充分發(fā)揮碳纖維抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn), 可將碳纖維以復(fù)合繩(Carbon fiber composite cable 簡(jiǎn)稱CFCC) 的形式用于預(yù)應(yīng)力工程中。從試驗(yàn)來(lái)看,工程中用的CFCC 的直徑并不是越粗越好, CFCC抗拉強(qiáng)度隨直徑的增加而降低。因?yàn)镃FCC 束表面處的粘接應(yīng)力傳遞到中心處會(huì)發(fā)生剪力滯后現(xiàn)象,過(guò)大的橫向剪切荷載將破壞環(huán)氧樹脂的粘接力, 導(dǎo)致各根纖維絲的連鎖失效。因此建議廠家在生產(chǎn)CFCC 時(shí)應(yīng)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(biāo)	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(qiáng)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(shù)	10-6/℃	0.6	10

4 　CFRP 筋力學(xué)性能的確定
4.1 　CFRP 筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
CFCC的力學(xué)性能及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與鋼筋不同。鋼筋從加載至屈服表現(xiàn)出線性變化特征, 屈服之后呈現(xiàn)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(guò)程可分三個(gè)階段: 第一階段, 由于環(huán)氧樹脂的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于纖維絲的抗拉強(qiáng)度, 因此從加載至環(huán)氧樹脂開裂, 在此過(guò)程中CFRP 筋中碳纖維絲和環(huán)氧樹脂共同受力, 受力過(guò)程呈線性變化特征。第二階段是從環(huán)氧樹脂開裂至樹脂基體完全破壞, 由于環(huán)氧樹脂的塑性特性, 該階段中CFRP 筋呈現(xiàn)塑性變化特征。第三階段是從環(huán)氧樹脂破壞直至CFRP 筋受拉破壞, 拉力由碳纖維絲單獨(dú)承擔(dān), CFRP 筋呈現(xiàn)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(huán)氧樹脂性能的影響。
4.2 　CFRP 筋的抗拉強(qiáng)度與彈性模量
CFRP 筋的極限抗拉強(qiáng)度幾乎只與其組成的纖維有關(guān)。值得注意的是, 與鋼絞線相比, CFRP 筋的抗拉強(qiáng)度的離散性比較大, 離異系數(shù)達(dá)到3.17 ,而鋼絞線的離異系數(shù)僅為0.16 , 因此碳纖維筋的生產(chǎn)要給予很高的安全儲(chǔ)備才可以保證其設(shè)計(jì)強(qiáng)度,我們建議使用三倍的標(biāo)準(zhǔn)差, 此時(shí)失效概率可降低到約0.11% , 即:出廠保證強(qiáng)度= 強(qiáng)度平均值- 3σ (σ為標(biāo)準(zhǔn)差)而CFRP 筋的彈性模量由纖維和樹脂的組成來(lái)決定, 試驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)期荷載作用下的性能試驗(yàn)結(jié)果表明: CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制應(yīng)力取0.165～0.17Pu為宜, 扣除預(yù)應(yīng)力損失后有效預(yù)應(yīng)力為極限強(qiáng)度的50%左右. 在此預(yù)應(yīng)力的范圍內(nèi), 可不考慮溫度對(duì)CFRP筋的松弛和徐變的影響, 同時(shí)CFRP筋的長(zhǎng)期應(yīng)力松弛值很小且與時(shí)間成線性關(guān)系, 可忽略不計(jì), 但對(duì)于重要工程, 應(yīng)力松弛損失可取3%。
5 　CFRP 筋生產(chǎn)和使用存在的問(wèn)題
價(jià)格問(wèn)題是制約碳纖維發(fā)展的首要問(wèn)題。各國(guó)生產(chǎn)廠家都在致力于降低碳纖維的價(jià)格, 美國(guó)的卓爾泰克公司(ZOLTEK) 生產(chǎn)的PANEX33 - 0048售價(jià)為15.64 美元/ kg , 這是目前為止世界上售價(jià)最低的碳纖維復(fù)合材料。與國(guó)外相比, 我國(guó)廠家生產(chǎn)的碳纖維售價(jià)偏高, 而且在生產(chǎn)中存在不少問(wèn)題。如: 碳纖維性能不穩(wěn)定; 離散系數(shù)偏大; 沒有高性能纖維; 品種單一, 規(guī)格單一; 碳纖維連續(xù)長(zhǎng)度不夠; 存在毛團(tuán)和毛絲等, 產(chǎn)品不夠現(xiàn)代化; 大部分國(guó)產(chǎn)纖維未經(jīng)過(guò)表面處理, 制成復(fù)合纖維, 層間剪力強(qiáng)度偏低等問(wèn)題。
另一方面, CFRP 在土木工程領(lǐng)域使用前, 仍需解決幾個(gè)問(wèn)題, 如: CFRP 預(yù)應(yīng)力筋在混凝土構(gòu)件中的錨固方法; CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的疲勞強(qiáng)度的確定; 確定CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力應(yīng)變的混凝土的設(shè)計(jì)方法; 考慮CFRP 性能的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法以及一個(gè)能體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的, 估計(jì)結(jié)構(gòu)材料耐久性的方法。
6 　CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的發(fā)展建議
(1) 大力研究開發(fā)低成本的碳纖維技術(shù)。降低碳纖維價(jià)格的關(guān)鍵是采用一般紡織用丙烯氰原絲生產(chǎn)碳纖維和開發(fā)大束碳纖維, 把碳纖維價(jià)格降低到100 元/ kg 以下, 在我國(guó)才有廣闊的應(yīng)用前景。
(2) 為促進(jìn)碳纖維在我國(guó)工程中的廣泛應(yīng)用,應(yīng)大力開展CFRP 筋設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)的研究工作, 制定統(tǒng)一的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格。
(3) 研究擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用范圍, 碳纖維要降低價(jià)格必須擴(kuò)大用量, 要擴(kuò)大用量就必須擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
參　考　文　獻(xiàn)
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