frp和rpc的基本物理力学性能

frp和rpc的基本物理力学性能

1配筋混凝土的应用前景展望混凝土结构已成为世界土木工程中最重要的结构形式。减少和重新部署，提高结构稳定性是当前混凝土结构发展中受影响的主要研究主题，尤其是混凝土桥梁结构。目前,中等跨径的预应力混凝土梁式桥中,恒载作用效应约占结构总作用效应的60%左右,而大跨预应力混凝土梁式桥中,恒载作用效应将占结构总作用效应的80%以上,因此,减轻配筋混凝土结构的自重对提高结构抵抗使用荷载的有效性、增大结构的跨越能力具有极为重要的现实意义。由此必然导致高强、高性能混凝土和高强预应力筋的引入和应用,以期能进一步减小构件的几何尺寸,使结构的自重能进一步减轻。此外,传统的配筋混凝土结构普遍面临由于钢筋锈蚀、混凝土老化导致的结构耐久性问题,尤其对处于恶劣环境下的混凝土桥梁结构尤其如此。因此,寻求一种更为有效合理的配筋混凝土结构形式,对提高配筋混凝土结构的有效性和耐久性极具意义。纤维增强复合材料FRP(FiberReinforcedPolymer/Plastic)以其强度高(有的高于3000MPa,约为高强预应力钢筋的2倍)、重量轻(约为钢材的1/5)和免锈蚀等优异性能极有希望成为处于恶劣自然环境下配筋混凝土结构中传统钢筋的替代品。近年来,北美、日本、欧洲等正积极开展用FRP取代钢筋用于增强混凝土的研究。国内虽然在这方面的研究起步较晚,但其研究已取得较大进展。活性粉末混凝土RPC(ReactivePowderConcrete)是20世纪90年代初国外研究开发的一种超高性能混凝土,具有较高的韧性、抗压强度和优异的耐久性能,是土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料,其应用研究已引起土木工程界的极大兴趣。基于FRP和RPC的优异性能,将两者结合在一起有望形成一种新的具有优良物理力学性能的配筋混凝土结构形式而应用于实际工程。2混凝土材料发展迅速钢材与混凝土一直是土木工程中最重要的,也是应用量最大的2种材料。通常情况下,钢筋混凝土结构具有承载能力大、受力性能好,造价低廉等优点。但当应用于桥梁、路面、水工结构、港工结构以及其他具有侵蚀性或暴露性的环境时,由于钢筋的锈蚀而导致结构破坏的后果将非常严重。目前,世界上尤其是北美的公路桥梁由于预应力筋严重腐蚀导致大量的混凝土桥梁结构失效,蒙受了巨大的损失,其中加拿大就达40~60亿美元,美国则高达500亿美元左右,有人估计全世界则在1~3万亿美元以上。由于钢筋腐蚀造成危害的严重性,人们对钢筋腐蚀现象的认识以及进行的科学研究、技术开发正逐步深入。早在20世纪60年代,专家已开始寻求保护钢筋的方法。如在钢筋表明电镀一种保护膜,但由于钢筋与保护膜之间的电解降低了抗腐蚀作用,这种方法很快失去了作用。随后又提出使用环氧树脂作为钢筋保护膜的新概念。实际上,在混凝土中使用树脂的研究始于20世纪60年代后期的聚合物浸渍混凝土的研究。不利的是,钢筋与聚合物混凝土间由于不同的热性能影响了钢筋聚合物混凝土的研究和应用。这种情况促使人们研制出了FRP筋,这种合成的复合材料筋可以用来增强混凝土。早期的FRP材料萌芽于二次世界大战的石油化工,是将玻璃纤维植入聚合树脂中得到。在20世纪60年代和70年代,由于航空航天领域需要高强、高刚度和较低密度的高性能材料使得FRP材料商业化。但FRP材料价格太高,应用领域只局限于航空航天和国防工业。20世纪70年代开始,由于FRP价格的下降以及运动产品的需求进一步推动了FRP的发展。20世纪80年代后期和90年代前期,随着国防工业对FRP材料需求量的减小,FRP制造商把更多的研究放在如何减少FRP的费用以获得FRP工业持续发展。当FRP材料价格下降后,FRP材料在基础建设领域获得了迅速发展。此后,北美、日本、欧洲等对FRP复合建筑材料(筋材、板材、格栅材等)的研究、开发与应用逐步展开。2.1frp材料和商品根据土木工程中FRP纤维种类的不同,FRP可分为碳纤维CFRP(CarbonFiberReinforcedPolymer);玻璃纤维GFRP(GlassFiberReinforcedPolymer);芳纶纤维AFRP(AramidFiberReinforcedPolymer)以及近来国外新开发的PBO-FRP复合材料和DFRP(Dyneemafiberreinforcedplastic)等复合材料;还有国内最近投入生产的连续玄武岩纤维GBF(ContinuousBasaltFiber)。按照FRP的外形不同,又可分为片材、棒材和型材等几种:FRP片材包括FRP布、FRP条及FRP板,其中FRP布在目前土木工程中应用最广泛;FRP棒材包括FRP索和FRP筋;FRP型材主要有FRP管材、平面和空间格构。另外,从外形上也可以将之分为直线、平面和立体3种,如直线FRP筋材、平面板材、布材和网片以及三维的格栅等。2.2性能特性及不足FRP筋是以纤维为增强材料,以合成树脂为基本材料,并掺入适量的辅助剂,经挤拉成型技术(Pultrusion)形成的一种新型复合材料。FRP筋与钢筋不同,是各向异性材料。不同成分的FRP筋性能差别很大,FRP复合材料的物理力学特性与纤维种类、纤维含量、粘结基体、表面处理以及成型工艺等因素有关。FRP复合材料具有抗拉强度高、质量轻、不锈蚀、热膨胀系数低、无磁性以及抗疲劳性能好等特性。如CFRP的抗拉强度可达到3000MPa,比强度高(比钢材高10~15倍);CFRP和AFRP的疲劳性能较好,大大优于钢材,其疲劳极限可达静荷载强度的70%~80%,但GFRP的疲劳性能低于钢材。FRP筋的应力-应变关系呈线性关系,与钢材应力-应变关系比较如图1所示。FRP在达到极限抗拉强度之前无塑性变形,且FRP筋的极限应变比钢筋小很多。FRP筋与普通钢材的性能比较见表1。新型FRP产品PBO-FRP除具有与高强CFRP相近的力学性能外,还表现出更好的物理性能,如良好的柔韧性等;DFRP也具有理想的物理性能,抗拉极限应变可达3.5%,延性良好。目前使用的FRP复合材料在具有上述优点的同时,还存在一些不足,主要表现为:材料各向异性;GFRP和AFRP的弹性模量低;材料整体的抗剪强度及层间剪切强度低,因而造成连接件设计上的困难;另外,FRP材料直到拉断还表现出线弹性的力学特征,其断裂应变小,破坏呈脆性,防火性能差,这些也是应用到实际工程中不可忽视的方面。FRP材料的连接和锚固以及组成结构的延性是这种材料应用于土木工程中必须注意的关键问题。2.3国外研究现状FRP在土木工程中的应用研究在国外已取得了大量的研究成果。FRP在混凝土结构中的用途之一是作为新结构的增强材料。FRP筋具有良好的耐腐蚀性,可应用于环境恶劣地区的混凝土结构以替代钢筋或预应力筋,亦可应用于岩土工程中的加筋土中;FRP材料的轻质高强,如:CFRP拉索可极大地增大缆索承重桥梁的跨越能力,使桥梁结构更加优化、设计更加灵活且更具创造性,CFRP吊杆因其良好的疲劳性能亦在大跨吊桥、系杆拱桥中有广泛的应用前景。FRP作为普通筋在美国、加拿大、日本已有工程实例。到目前为止,已有500多个工程结构应用FRP筋。FRP作为预应力筋主要用于桥梁结构,采用FRP预应力筋修建桥梁已有50多座,其中尤以日本最多。自20世纪80年代开始,国际上对FRP材料在土木工程中的应用研究趋于活跃,成立了有关协调FRP应用研究的组织如ACI440委员会、ISISCanada等,定期召开相关国际会议如FRPRCS、ACMBS和CICE,进行多国合作研究项目如由欧洲多个国家参与的项目BRITE/EURAM,以及出版有影响的专门学术期刊如ASCE的JournalofCompositeForConstruction,极大地推动了FRP新型材料在土木工程应用中的进步,并取得了大量的研究成果并有部分已应用于实际工程且编制了相应的设计规范和设计手册。目前国外的相关规范主要如下。1)日本1993年在世界上首先完成FRP混凝土结构设计准则。1997年公布了连续纤维增强材料混凝土结构设计施工建议。2)1997年和1998年加拿大政府投入3000多万加元用于开发新型的FRP材料产品以及研究纤维增强、加固混凝土结构的性能。加拿大土木工程师协会(CSCE)于1998年成立了“新型复合材料在桥梁和结构中的应用”技术委员会,出版了2本综述报告。1996和2000年出版的《加拿大公路桥梁设计规范(CHBDC)》(CAN/CSA-S6-96和CAN/CSA-S6-00)中包含了FRP筋的相关设计条款。2002年公布了纤维增强聚合物建筑的设计和施工(CAN/CSA-S806-02)。3)美国混凝土协会ACI440委员会于1996年公布了一个综述报告,对FRP的背景、组成成分的性能、试验方法、设计准则、构件性能、实际应用、需要研究等进行论述。ACI440委员会于2001年出版了FRP筋增强混凝土结构的设计和施工指南(ACI440.1R–01);2003年又出版了FRP筋增强预应力混凝土结构指南(ACI440I–03)。4)欧洲正在制定统一的FRP配筋设计指南;同时,欧洲各国也在编制本国的设计建议,如英国标准BS8110建议修改稿和挪威的国家标准NS3473中均含FRP结构设计方面的条款。我国在20世纪90年代开始关注FRP材料在土木工程结构中的研究与应用,2000年成立了中国土木工程学会混凝土与预应力分会纤维增强塑料(FRP)及工程应用专业委员会,并召开了3届全国性的FRP学术会议,极大地促进了国内有关FRP混凝土结构理论与应用研究的发展。尽管我国FRP的研究起步较晚,但在各种基金项目的资助下,FRP加固结构的基础理论方面取得了大量成果。目前国内FRP研究主要有以下几方面[5,6,7,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]:1)FRP的材料特性;2)采用FRP进行结构的维修加固;3)FRP配筋混凝土结构;4)FRP型材结构以及组合结构;5)FRP拉索。其中尤以采用FRP对现有结构进行维修加固的研究最为充分,工程应用实例也最为广泛。1999年我国开始了FRP加固修复结构的标准和规程的编制工作。《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CECS146:2003)》已颁布,其他相关规范也即将问世。我国FRP筋混凝土结构的研究已积极展开。薛伟辰在1997年对FRP筋预应力混凝土梁进行了试验研究。高丹盈从1998年开展FRP及其混凝土结构受力性能的系统研究。方志于2000年开始对配置CFRP的预应力混凝土梁、CFRP吊杆和系杆混凝土拱桥及CFRP锚具进行研究和开发。吕志涛等也开始对FRP配筋梁开展研究,并应用于实际工程,国内的首座CFRP拉索斜拉桥由东南大学主持设计和研究。FRP筋具有抗腐蚀、抗疲劳、强度高、重量轻、非电磁性等优点,在建筑、桥梁、地下工程、海洋工程、隧道以及特殊要求的土木工程中的应用前景十分广阔,已成为一个重要的研究领域和新兴产业。3混凝土应用前景法国Bouygues实验室于1993年研制出一种超高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料,由于提高了组分的细度和反应活性,因此被称为活性粉末混凝土。1998年8月在加拿大Sherbrooke省召开的高性能混凝土与活性粉末混凝土国际研讨会,就RPC的原理、性能和应用进行了广泛的讨论,与会专家一致认为:作为一类新型混凝土,RPC具有广阔的应用前景。RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土,其优异的力学及物理性能是普通混凝土甚至其他高性能混凝土都无法相比的。RPC按抗压强度的高低可分为RPC200和RPC8002个强度等级,且具有30~60MPa的抗折强度,有效克服了普通高性能混凝土的高脆性。RPC200虽然强度远低于RPC800,但韧性却比RPC800好得多,故具有更大的应用潜力。RPC的抗压强度已与钢材类似,但平均价格仅约为钢材的1/4(制备1m3掺有钢纤维的RPC成本约为1400美元,1m3钢材成本约为5500美元),加之RPC200可在普通预拌混凝土运送车上或混凝土预拌厂内制备,所以这种材料在桥梁工程、建筑工程、市政工程、水工建筑、防爆结构、输送管道及核废料隔离与控制等方面都具有极高的推广和实用价值。3.1材料成型养护PierreRichard与MarcelCheyrezy在法国Bouygues实验室研制的RPC是由级配石英细砂(不含粗骨料,粒径小于1mm)、水泥、石英粉、硅灰、高效减水剂及钢纤维组成,在凝结、硬化过程中可采取适当的成型养护工艺如加压、加热获得。RPC的配制原理是基于最大密实度理论,即通过提高组分的细度与活性,使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减小到最少,以获得由其组分材料所决定的最大承载力及非常好的耐久性。提高材料匀质性及颗粒密实度是RPC材料设计的基础,在任何情况下都必须遵循;而加压与热处理这2项措施是可选的,它们只是用来改善RPC的材料性能。根据每次实际的制备条件,加压过程中技术难度及热处理过程中所需的成本费用来综合考虑是否采用。例如RPC200就无须进行加压处理。3.2凝土的耐久性与高性能混凝土HPC(HighPerformanceConcrete)相比,RPC材料的显著特点是强度高,韧性大和耐久性好。表2为RPC(活性粉末混凝土),HPC(高性能混凝土)和OC(普通混凝土)的主要力学性能与耐久性比较。由表2可以看出,RPC不仅具有较高的抗压强度,而且由于混凝土内部孔隙率很小,故有优良的抗氯离子渗透、抗碳化、抗腐蚀、抗渗、抗冻及耐磨等耐久性。更为重要的是,掺加微细的钢纤维后能显著提高RPC的抗折强度和吸收能量的能力,RPC200的抗折强度达30~60MPa,是HPC的6倍左右,其断裂能平均达30kJ/m2,而HPC的断裂能只有0.14kJ/m2,这就使RPC具有更好的抗震耗能能力。3.3试验研究与养护条件RPC是一种问世不到10年的新型建筑材料,国内外对其材料配比以及性能方面的研究较多,但对其结构构件的各项基本力学性能、设计计算理论以及在工程实践中的应用研究较少,国内外发表的相关文章也极为有限。因此,可以说目前RPC在工程结构中的应用研究还处于起步阶段。RPC在国外的工程实例主要为:大跨桥梁的预制构件、压力管道及放射性固体废料储存容器。如:Sherbrook桥(加拿大)、和平桥(韩国)等;法国用活性粉末混凝土对1座核电厂的冷却塔进行了改造;美国将活性粉末混凝土用于下水道系统工程中。国外对RPC配置技术的研究已较成熟,对RPC的材料、配比、养护条件、耐久性和强度等方面进行了大量的试验研究。结果表明,由于RPC具有较好的匀质性及密实度,抗压强度和耐久性等均有大幅度提高。并研究了养护条件对RPC力学性能的影响,以确定合适的养护条件。2001年,美国联邦高速公路管理局(FHWA)在弗吉尼亚的运输部(VDOT)制成了长达24m的预应力RPC梁,并进行了结构试验。梁中除了预应力筋外没有配其他钢筋,试验中,RPC梁表现出优良的力学与变形性能。当梁的挠度达到300mm时,试验人员借助放大镜也未找到裂缝,其极限强度达到了207MPa,极限挠度为480mm。试验参与者Hartman对RPC作了一段精彩的评价:“就耗能特性而言,这种材料的韧性很好,用来描述混凝土制品的词语已经不适合,需要借助于描述钢结构的词语来说明这一性能。”我国在超高性能混凝土的研究与应用方面起步较晚,但进步很快。20世纪50年代我国曾用800号水泥(水灰比0.3~0.32)制成抗压强度100MPa的混凝土并用于预应力屋架上。安徽蚌埠水泥制品厂为煤炭部门生产了大量强度为100MPa的巷井工程用钢筋混凝土支架及护板。近年来,清华大学、湖南大学、中南大学、东南大学以及武汉理工大学等高校先后开展了RPC材料的研究工作。混合料中除硅酸盐水泥和硅灰以外,还有超细粉煤灰、超细矿渣和石英粉3种材料中的一种,成功地制备出性能优异的RPC材料[40,41,42,43,44,45,46,47]。此外,对RPC的搅拌设施、高频振捣与脱模剂也开展了试验研究,发展了RPC的原材料选择、制备技术及生产工艺,为RPC在工程建设领域里应用创造了条件。我国对RPC的研究表明,全部采用国产材料和普通的成型养护工艺,素RPC(不含钢纤维)的强度可达到140MPa以上。RPC除保持普通高性能混凝土高强度、高耐久性的特点以外,还具有更好的变形性能。即使是抗压强度高达150MPa的素RPC,其峰值点应变亦高达0.0038左右,其极限压应变可超过0.005。如在RPC内引入适量的钢纤维(2%左右),其极限压应变更可高达0.015,远远高于普通高性能混凝土的相应值。RPC材料在国内工程中的应用实例报道尚未见到。目前,国内北京交通大学与铁道部合作制备的RPC桥梁人行道构件已通过铁道部鉴定,拟用于青藏铁路桥梁的实际工程中。4混凝土结构材料研究FRP将成为土木工程结构中具有广阔应用前景的一种新型材料。但由于FRP材料直到拉断仍表现为线弹性的力学性能,使采