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芳纶纤维与碳纤维性能比较
 点击数:3609次 添加时间:2015-2-12 [打印] [返回] [收藏]
芳纶纤维与碳纤维的功能比拟 FRP 复合资料因其较低的密度、极高的抗拉强度和优异的抗腐蚀功能在混凝土布局的修正 与加固中很多运用,它是一种高功能纤维布与高强度粘结剂、固化剂的复合体。最常用的纤维 布为碳纤维布与芳纶纤维布。 碳纤维补强加固混凝土布局技能从 20 世纪 80 年代在国际上开始研讨运用, 我国是在 1997 年起正式开始对碳纤维增强塑料加固修正(CFRP)土木建筑布局进行研讨的,从 1998 年起开始 运用于实践工程[1, 2],如今我国 FRP 方面的第一本描绘规范-《碳纤维片材加固修正混凝土结 构技能规程》已完结报批。 芳纶资料(Kevlar?)是美国杜邦公司最早于 70 年代研制开发的[3],但很多用于布局补强 则开始于 1995 年日本阪神地震之后。2000 年芳纶纤维布在日本的运用量仅为 4.5 万 m2,2001 年则上升为 20 万 m2, 估计往后 10 年内是运用的飞速增长时刻。 芳纶纤维布局补强技能在国内的 运用刚起步,但其优胜的资料功能(如它的不导电性、耐性及抗冲击等方面)和快捷的施工操 作性,已受到业内人士的广泛关注。 1 资料功能比拟 芳纶纤维和碳纤维作为布局补强领 域的新式非金属复合资料,具有以下特 点: a.高弹性模量,高抗拉强度; b.低密度; 芳纶纤维 c.耐久型好,抗腐蚀、耐老化; d.疲劳强度高; e.各项异性; f.应力-应变关系为线性 (见图 1) 。 值得注意的是,芳纶纤维在以下方 面明显优于碳纤维: a、芳纶纤维不导电(碳纤维导电) , 图 1 碳纤维、芳纶纤维和其它常用资料的功能比拟 因此在地铁、工业厂房等布局中使 用碳纤维就有很大的局限性乃至禁入性,此外,碳纤维用于混凝土布局补强,有必要与钢筋 阻隔以防电化学腐蚀,而运用芳纶纤维则不受此约束; b、碳纤维布的抗剪强度较低,易折断,这使得施工时倒角处置需求较高,倒角半径不小 于 20mm,而芳纶纤维仅需 10mm 即可[4]。 c、碳纤维的高弹性模量使其能接受长时刻静荷载,这是其最为杰出的优点,而关于接受动 载和部分冲击效果则芳纶纤维更有竞争力。 d、碳纤维在用于约束梁的挠度时同芳纶纤维布比拟具有必定优势,但在施工的可操作性 方面芳纶纤维无疑是更适宜的资料; e、碳纤维加固后的损坏方式是脆性(布局变形小,碳纤维布的极限延伸率小) ,没有明显 征兆,因而作为布局描绘,有必要选用较大的安全系数。实验标明[5],已损坏的素混凝土构 件用芳纶纤维布外包补强后,再次加载,其损坏过程依然是塑性的。 “五角大楼晚塌 35 分 [6] 钟,凯夫拉纤维功不可没” 是一个极好的例子。作为延性补强,芳纶纤维资料是抱负的 资料。 两种纤维资料功能的具体比拟见表 1[4]。表1 抗拉强度 (MPa) 耐久性 防紫外线 才能 碳纤维和芳纶纤维资料特性比拟 比重 (g/cm ) 3 弹性模量 延伸率 (GPa) (%) 损坏 是不是导 特色 电 施工操作性 受力特色 便利, 高弹性模 接受长时刻 的静荷载 碳纤维 3000 杰出 杰出 1.7~1.9 200~240 1.4 脆性 导电 倒角半径大于 量 使 其 能 20mm 很便利, 芳纶纤维 2060 杰出 杰出 1.44 125 2.4 塑性 不导电 倒 角 半 径 10 抗 动 载 和 部分冲击 mm 左右 注意:上述两种纤维的强度均为资料本身的强度,而不是纤维布的强度,具体纤维布的强度 如下: 1) 、碳纤维,0.11mm 和 0.167mm 为常用的两种规格,强度 3000MPa、因为碳纤维发作的 是脆性损坏,损坏前没有一点征兆,所以考虑的安全储藏系数通常为 0.5~0.7,即能 发挥的强度只要 0.6×3000=1800 MPa 2) 、芳纶纤维,AFS-40 和 AFS-60 为常用的两种规格,厚度分别为 0.193mm 和 0.286mm, 强度 2060MPa、因为芳纶纤维的耐性格外好,它的安全储藏系数通常为 0.75-0.95,即它能发 挥的强度有: 0.85×2060=1751MPa 所以强度的有效值是适当的,但碳纤维加固后的构件损坏方式为脆性损坏,使其比拟合适 于接受长时刻静荷载的布局,而芳纶纤维的抗部分冲击才能强(从早期用于做防弹衣能够看出) , 因此比拟合适于接受动载的构件。 别的,咱们知道 FRP 资料之所以用来加固,主要是在于纤维布渗透树脂后,通过树脂与混 凝土间的极好的粘结才能来达到一种协调变形,共同接受荷载。因为芳纶布和树脂同为有机材 料,两者之间的结合力很强;而树脂与无机资料碳纤维结合时,渗透才能就不如芳纶好,这样 一来碳纤维就只能做的很薄了,而且要使它充沛渗透,工期比芳纶纤维要长很多,也就相应增 加了综合造价。 2 施工功能比拟 与碳纤维布比拟,芳纶纤维布的柔性更为杰出,施工中能够在现场用剪刀裁剪成所需形状 和尺度(芳纶纤维布抗剪性极好,需用陶瓷剪刀或电圆锯裁剪;而碳纤维布用通常剪刀即可裁 剪),对构件的不同外形都有极高的习惯才能。因为芳纶纤维布重量轻,无需吊装设备,选用小 型机具手工操作即可完结,在较小的空间也可施工(10cm) ,施工速度快,周期短,正常条件 2 下可达 25m /(人?日),且张贴质量容易确保。别的,纤维表面易于涂装,较好地习惯了环境要 求,可最大限度削减修补痕迹。 有必要指出的是,碳纤维布需求倒角半径不小于 40mm,而芳纶纤维 10mm 即可;还有, 在贴纤维片时,两者前提都需求底胶枯燥,但芳纶纤维自然枯燥时刻为 1~2 小时,碳纤维一 般需 3~24 小时(碳纤维布对树脂的浸润性低于芳纶纤维布);此外,芳纶纤维的养护时刻只要 几个小时,而碳纤维则需 1~2 周。 3 经济功能比拟 国产碳纤维资料价格比拟低(相对而言质量有待进步) ,进口优质碳纤维资料的价格与芳 纶纤维资料的价格适当。 依据纤维布加固理论公式,以圆柱体的抗压加固计算公式为例: N u = ( f c + 8r1 E f ε fa nt f d Ac ) Ac + As' f y' 其中纤维布承载力 : N f = 8r1 E f ε fa nt f d 从以上计算公式中,咱们能够定量的看出,在张贴层数 n 相等的情况下,决议芳纶纤维布 与碳纤维布的加固效果有三个决议性参数:弹性模量 E f ;应变 ε fa 以及纤维布厚度 t f 目标; 表1 规格 芳纶纤维布(AFS-40) 芳纶纤维布(AFS-60) 碳纤维布(200 克) 碳纤维布(300 克) 芳纶纤维布和碳纤维布技能参数对比 参数 弹性模量 应变 纤维布厚度 Ef 118GPa 118GPa 230GPa 230GPa ε fa 0.007 0.007 0.0035 0.0035 tf 0.193mm 0.286mm 0.111mm 0.167mm 从以上表格咱们能够看出,芳纶纤维和碳纤维的两个技能参数即弹模和应变的乘积根本相 等,所以真实决议两者的效果效果的区别只要厚度 tf 这项目标了,从表格中能够看出,一层 AFS-60 的芳纶纤维布效果效果适当于二层 200 克的碳纤维布还多 (而且还没有将张贴两层做折 减) 。 4 适用性比拟 纤维资料补强广泛适用于桥梁、地铁、地下布局、工业与民用建筑、水塔、水池、烟囱等 几乎土木工程的各个领域,根本含盖了混凝土受拉、受压、受弯和受剪的加固。碳纤维布在顺 纤维方向具有很高的拉伸强度与疲劳强度,而抗压抗剪强度较低,因此主要适用于混凝土布局 受拉的加固,特别适用于梁的加固,但因其损坏呈脆性,描绘时,安全系数有必要充沛考虑。同 碳纤维资料相同,同为复合资料的芳纶纤维的资料抗压强度较低,但其抗剪功能优秀,因此用 作墩柱的抗剪和抗震补强是非常抱负的,别的因为芳纶纤维不导电,能够运用于铁路、电气化 等对电绝缘性需求高的加固。 5 安全性比拟 FRP 复合资料加固混凝土布局,其技能功能是不是达到需求,关键在于纤维布与混凝土之间 的粘结性是不是能够确保。当前纤维布与混凝土间剥离损坏的机理研讨尚不老练,但依据已有试 验研讨成果,在规则的描绘和施工方法下,用合格的增强纤维复合资料加固混凝土布局能够有 效的进步混凝土构件的承载力、刚度,减小构件的挠度,改善构件的延性和约束裂缝的扩展, 进步布局的抗震功能[1],然后延伸其服务年限。
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