FRP復合新材料的特性及在橋梁施工中的應用優勢

楊 凱,張雅麗,吳文杰

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000;2.甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730030)

纖維增強聚合物(FRP)材料已成為生產混凝土結構鋼筋的替代材料,特別是在腐蝕性環境中,主要是因為它們具有很高的耐腐蝕性。FRP纖維具有強度高、重量輕、耐腐蝕、尺寸穩定、導熱系數低、不導電、電磁透明、耐沖擊、壽命周期長等優點[1]。FRP復合材料是作為基體或粘合劑的聚合樹脂與作為增強相的強韌纖維組件進行組合與鋼在物理和機械性能方面有很大差異,因此需要對FRP鋼筋混凝土結構的施工提供獨特的指導[2]。

1 FRP復合新材料的特性

FRP復合材料由兩部分組成:纖維和基體。纖維的主要功能是承載荷載,為FRP提供剛度、強度、熱穩定性和其他結構性功能[3]。FRP復合材料中的纖維必須具有高彈性模量、高極限強度、纖維間強度變化小、在處理過程中強度穩定性高、纖維間直徑和表面尺寸均勻性好等特點?；w確保纖維的位置和排列,防止在制造和操作過程中損壞復合材料的耐久性以及防止環境影響。它還負責各個纖維上的載荷分布[4]。在工程建設中,涉及纖維種類較多主要包括:碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)和玄武巖纖維(BFRP)等4種FRP復合材料,其主要性能如表1所示。

表1 各種纖維的性能

1.1 碳纖維

碳是由石油瀝青、人造絲或聚丙烯腈原絲產生的。聚丙烯腈碳纖維復合材料(CFRP)因其具有高質量和高強度的特點而被用于結構加固[5]。碳纖維具有很高的拉伸強度和彈性模量,它們不易受到惡劣環境和高溫的影響。碳纖維有兩種:高強度纖維(HS)和高彈性模量纖維(HM)。碳纖維的主要缺點是價格較高。它們的價格往往是玻璃纖維的10～30倍[6]。

1.2 玻璃纖維

(1)耐堿玻璃纖維—用硅酸鋯制成的耐堿玻璃。它能抵抗混凝土中的堿性環境,但成本要高得多[7];

(2)無堿玻璃—無堿、高電阻玻璃,由鋁鈣硼硅酸鹽制成。電子玻璃因其強度和電阻在工業上被稱為通用纖維,它是玻璃鋼復合材料工業中最常用的纖維;

(3)高強度玻璃纖維—由鎂鋁硅酸鹽制成的高強度玻璃。用于需要高強度、高剛度、耐極端溫度和耐腐蝕性的場合[8]。

1.3 芳綸纖維

芳綸是由聚合物芳香族聚酰胺制成的合成纖維。芳綸在紫外線照射下會迅速降解,因此必須對其進行涂層或涂漆。AFRP也能吸收水分。強度和剛度隨水接觸或高濕度環境而降低。將纖維浸漬在環氧樹脂或乙烯基酯基體中可防止水分滲入。芳綸纖維具有最佳的拉伸強度與密度比。芳綸纖維密度最低,比玻璃纖維密度低40%左右[10]。

1.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維是纖維增強聚合物和結構復合材料的一種相對較新的材料[11]。它的化學成分與玻璃纖維相似,但具有更好的強度特性,與大多數玻璃纖維不同,它對堿、酸和鹽的侵蝕具有很高的抵抗力,這使它成為混凝土、橋梁和海岸線結構的良好候選材料[12]。與碳纖維和芳綸纖維相比,具有應用溫度范圍更廣(-269～+650 ℃)、抗壓強度更高、抗剪強度更高的特點。

2 FRP復合新材料在橋梁施工中的應用優勢

研究選擇了一種創新的預制玻璃纖維增強聚合物(FRP)結構絕緣(SIP)板作為橋梁建造面板[14]。耐腐蝕FRP鋼筋格柵和SIP模板集成在非常大的模塊化面板中。結構形式充分利用了玻璃鋼復合材料的可裁剪性和輕質性,提高了施工速度和安全性[15]。

FRP SIP板是預制裝配的現成組件,通常用于腐蝕性環境中的地板格柵,形成由2層(頂部和底部)組成的三維格柵(見圖1)。主要承載構件為38 mm工字鋼,中心間距為100 mm,在垂直于交通方向(橫向)安裝。3部分橫桿,中心間距為100 mm,沿平行于交通(縱向)的方向穿過工字鋼腹板上的預鉆孔,提高各加固層的平面剛度,并約束核心混凝土,以確保與結構工字鋼的機械兼容性。頂部和底部加固層使用2部分垂直連接件進行集成,連接件的中心間距為100 mm。形成連接件的2個部件的形狀為環氧樹脂粘合到工字鋼上,然后固定在一起。模板由3.2 mm厚和1.22 m長的環氧樹脂板組成,這些板與底層的工字鋼粘結在一起[16]。

圖1 預制FRP SIP面板

每個SIP面板的寬度為7.06 m,典型長度為2.44 m(見圖1),質量約為23.7 kg/m2。寬度與橋面的寬度相對應,每側減去127 mm,以便在現場形成傳統的滴水邊緣缺口。使用大尺寸和輕質面板,可以在4個錨固點用起重機的單鉤輕松地將SIP鋼筋放置在橋梁上[17]。相鄰面板通過0.30 m重疊以非機械方式連接,通過偏移頂部和底部光柵層形成,從而在縱向上保持一定程度的連續性,具體如圖2(a)所示。插入3.2 mm厚的條帶覆蓋SIP板對板對接接頭,以防止混凝土在澆筑過程中泄漏。當使用鋼梁時,每2.44 m通過不銹鋼螺栓將每個SIP裝置固定在頂部法蘭上,用6.3 mm厚的FRP墊圈將底部加強層固定到位,具體如圖2(b)所示。當在大梁和橋面之間尋求復合作用時,可在面板中心提供縱向和橫向間距為10 cm的預鉆孔,以容納焊接剪力釘。面板不需要起拱來匹配使用修整機形成的路拱。端板的長度和布局設計適合實際的橋梁長度和伸縮縫。由于玻璃鋼易于鋸切,因此可以在現場進行調整,具體如圖2(c)所示。

(a)面板連接

使用輕質玻璃鋼保持架,大大簡化了搬運和安裝操作,同時消除了現場鋼筋捆扎,縮短了安裝時間。從研發到現場實施FRP橋面是制造商以及工程師協調進行的,與承包方一起計劃施工作業,以盡量減少時間和工作量[18]。從SIP面板安裝到玻璃鋼筋混凝土橋面和欄桿的施工。一般在5 d內完成,而不是承包商建造的類似鋼橋通常需要2～3周。甲板面板的安裝在第1 d由6名工人在6 h內完成。第2 d,安裝了36個軌柱籠,形成了甲板細節(伸縮縫、倒角、滴水邊),并設置了精整機。第3 d完成橋面澆筑和修整。其余2 d用于安裝明柱混凝土連續罐籠和模板,最后澆筑[19]。

3 結語

鋼筋可以用FRP復合材料代替,特別是在混凝土結構暴露于環境負荷增加的情況下。使用極限狀態是FRP加固結構設計的決定標準。FRP復合材料在橋梁工程中的應用優勢明顯。經大量的應用發現,該FRP復合材料可廣泛適用于新建橋梁,也適用于加固舊橋梁。本研究介紹了一種新型預制FRP筋在快速橋面施工中的應用方案,采用非常大尺寸和輕質的模塊式固定板,包括一個雙層格柵和環氧樹脂粘合模板,設計用于提高施工性能,消除了模板和現場綁鋼筋的需要,節約了時間成本[20]。

本方案對橋梁施工設計及新型復合材料的應用提供重要參考。