碳纤维筋在工程中应用的生产建议
By www.carbonfiber.com.cn
摘 要: 介绍了碳纤维的性能及碳纤维筋的生产工艺, 总结了碳纤维筋的应力应变关系, 对碳纤维筋生产标准提出了建议, 指明了碳纤维筋的发展趋势。
关键词: 碳纤维; 环氧树脂; 混凝土结构 Production Suggestion of CFRP Bar in Engineering
1 前 言
钢筋混凝土是最主要的建筑结构材料, 通过钢筋与混凝土之间的相互配合, 使构件具有良好的抗拉、抗压、抗弯及抗扭特性。但钢筋的锈蚀和腐蚀仍是一个难以解决的问题, 尽管目前采取了诸如增强混凝土的密实性、控制混凝土的裂缝宽度、在钢筋表面或混凝土表面涂覆树脂等措施, 但仍没有从根本上解决这一问题。特别是在港口工程结构、桥梁工程结构、化工厂等建筑物中, 这类问题尤为突出。为此急需寻找到一种既能防腐又具有良好的力学性能的材料来替代钢筋。随着复合材料的出现和发展, 我们发现碳纤维复合材料是一种理想的替代材料。目前碳纤维作为预应力筋来替代钢筋的方法已在日本和德国等国家得到使用。
我国对碳纤维的研究起步虽然较晚, 但发展迅猛, 碳纤维已应用到土木工程领域的很多方面, 但是目前关于工程用碳纤维筋(CFRP) 的生产及使用性能尚未有统一的标准。本文对碳纤维的生产要求提出建议, 并指出碳纤维在土木工程领域中的发展所急需解决的几个问题。
2 碳纤维丝和树脂的性能要求
2.1 碳纤维复丝的性能
碳纤维复合材料筋由两部分组成: 树脂基体和碳纤维复丝。其中碳纤维复丝的抗拉强度最高可达5000～6000MPa , 是钢筋的20倍左右。而其弹性模量按用途不同, 可分为高弹模纤维(模量> 500GPa) 、中等模量纤维(200～500 GPa) 和低模量纤维(100～200GPa) 。
碳纤维复丝的应力应变关系曲线从加载直至破坏都呈线性变化, 而不象钢筋一样存在着屈服现象, 故碳纤维复丝可以看作完全弹性体, 破坏形式为脆性破坏。
2.2 碳纤维复丝的选用
一般来讲, 碳纤维复丝的抗拉强度要比钢筋的抗拉强度高出很多, 弹性模量差异性很大, 建议在工程中所用的碳纤维复丝的弹性模量要与钢筋弹性模量相差不要太大。原因是: 一方面由低弹性模量的碳纤维制成的CFRP 筋会使构件的挠度增大; 另一方面在CFRP 筋作预应力的混凝土受弯构件中,低弹性模量的CFRP 筋会减少由于混凝土收缩和徐变引起的预应力损失, 因此建议在预应力构件中,碳纤维复丝的弹性模量选择为钢筋的弹性模量的四分之三左右为宜。
2.3 树脂基体的性能要求
树脂基体是纤维复合材料的粘接剂, 作用是将碳纤维复丝粘接成束共同受力, 并在纤维丝间传递剪力。因此树脂基体对碳纤维筋的性能有直接的影响。
对树脂基体选择的建议是:
①与碳纤维表面有良好的结合力, 以构成完整的界面;
②有与碳纤维相匹配的弹性模量和断裂延伸率, 碳纤维筋中受力者虽然是碳纤维复丝, 但其纵向拉深及压缩的承载力受基体的弹性模量影响很大, 因此建议树脂基体的拉伸与压缩强度越高越好;
③具备良好的耐湿性, 碳纤维筋构件的耐湿热性主要取决于树脂基体;
④良好的工艺性, 即指树脂各组成成分的混融性、树脂体系的成膜性、一定湿度下的粘度流动性、对纤维的浸润性等。
目前国内用于碳纤维筋的基体树脂主要是648 # 酚醛环氧、三氟化硼单乙胺和丙酮体系树脂,这类体系树脂价格较便宜, 综合性能好, 但成型后的性能较脆。国内目前已有单位利用TDE - 85 多功能团环氧树脂对该体系进行改性, 改性后的树脂基体具有工艺性好、力学性能优异的特点。对使用温度在- 55～120 ℃范围内的碳纤维复合材料, 是一种比较理想的选择。
3 CFRP 筋生产标准的建议
3.1 生产工艺流程
根据碳纤维筋所用的碳纤维原料不同, 碳纤维产品可分为两类: 一类是通长的( PAN) , 这是从聚丙烯氰纤维中获得的; 另一种是短节( Pitch) ,是石油或煤焦油融化制成。工程中使用的碳纤维为后一种。替代钢筋的碳纤维束(CFRP) 是由嵌在环氧树脂基体中的连续碳纤维组成, 其生产工艺流程是: 先将碳纤维固定在一起, 然后穿过基体浸胶槽, 接着由成型模拉出, 出来后的束状产品经过固化室, 让树脂在室内凝结硬化, 形成碳纤维复合材料筋(CFRP) 。
3.2 CFRP 筋的生产标准建议
为充分发挥碳纤维抗拉强度高的特点, 可将碳纤维以复合绳(Carbon fiber composite cable 简称CFCC) 的形式用于预应力工程中。从试验来看,工程中用的CFCC 的直径并不是越粗越好, CFCC抗拉强度随直径的增加而降低。因为CFCC 束表面处的粘接应力传递到中心处会发生剪力滞后现象,过大的横向剪切荷载将破坏环氧树脂的粘接力, 导致各根纤维丝的连锁失效。因此建议厂家在生产CFCC 时应以较小直径为主, 目前CFCC 形式有单股、7 股、19 股、37 股等, 直径从3 mm 到40 mm不等, 其中7 股Φ1215 mm 的CFCC 同7 股Φ1214 mm钢绞线相比, 如表1 所示。
表1 碳纤维筋和PC钢绞线性能比较
4 CFRP 筋力学性能的确定
4.1 CFRP 筋的应力应变关系
CFCC的力学性能及应力应变关系与钢筋不同。钢筋从加载至屈服表现出线性变化特征, 屈服之后呈现塑性特性。碳纤维筋由于是由碳纤维丝和树脂基体两种材料组成, 它的应力应变关系又与单纯的碳纤维丝的纯线性变化有所不同, CFRP 筋受力过程可分三个阶段: 第一阶段, 由于环氧树脂的抗拉强度远低于纤维丝的抗拉强度, 因此从加载至环氧树脂开裂, 在此过程中CFRP 筋中碳纤维丝和环氧树脂共同受力, 受力过程呈线性变化特征。第二阶段是从环氧树脂开裂至树脂基体完全破坏, 由于环氧树脂的塑性特性, 该阶段中CFRP 筋呈现塑性变化特征。第三阶段是从环氧树脂破坏直至CFRP 筋受拉破坏, 拉力由碳纤维丝单独承担, CFRP 筋呈现碳纤维丝的线性特征, 属脆性破坏。 因此, CFRP 筋性能的好坏, 既受纤维丝的制约,也受环氧树脂性能的影响。
4.2 CFRP 筋的抗拉强度与弹性模量
CFRP 筋的极限抗拉强度几乎只与其组成的纤维有关。值得注意的是, 与钢绞线相比, CFRP 筋的抗拉强度的离散性比较大, 离异系数达到3.17 ,而钢绞线的离异系数仅为0.16 , 因此碳纤维筋的生产要给予很高的安全储备才可以保证其设计强度,我们建议使用三倍的标准差, 此时失效概率可降低到约0.11% , 即:出厂保证强度= 强度平均值- 3σ (σ为标准差)而CFRP 筋的弹性模量由纤维和树脂的组成来决定, 试验结果表明: 在静力荷载下, CFRP 的弹性模量随荷载的增加而增大。如在200 MPa 下, CFRP的弹性模量为134 GPa ; 而在1200MPa下,弹性模量增加到149GPa。
4.3 CFRP 筋在长期荷载作用下的性能试验结果表明: CFRP 预应力筋的张拉控制应力取0.165～0.17Pu为宜, 扣除预应力损失后有效预应力为极限强度的50%左右. 在此预应力的范围内, 可不考虑温度对CFRP筋的松弛和徐变的影响, 同时CFRP筋的长期应力松弛值很小且与时间成线性关系, 可忽略不计, 但对于重要工程, 应力松弛损失可取3%。
5 CFRP 筋生产和使用存在的问题
价格问题是制约碳纤维发展的首要问题。各国生产厂家都在致力于降低碳纤维的价格, 美国的卓尔泰克公司(ZOLTEK) 生产的PANEX33 - 0048售价为15.64 美元/ kg , 这是目前为止世界上售价最低的碳纤维复合材料。与国外相比, 我国厂家生产的碳纤维售价偏高, 而且在生产中存在不少问题。如: 碳纤维性能不稳定; 离散系数偏大; 没有高性能纤维; 品种单一, 规格单一; 碳纤维连续长度不够; 存在毛团和毛丝等, 产品不够现代化; 大部分国产纤维未经过表面处理, 制成复合纤维, 层间剪力强度偏低等问题。
另一方面, CFRP 在土木工程领域使用前, 仍需解决几个问题, 如: CFRP 预应力筋在混凝土构件中的锚固方法; CFRP 预应力筋的疲劳强度的确定; 确定CFRP 预应力筋的应力应变的混凝土的设计方法; 考虑CFRP 性能的标准实验方法以及一个能体现在设计中的, 估计结构材料耐久性的方法。
6 CFRP 预应力筋的发展建议
(1) 大力研究开发低成本的碳纤维技术。降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用丙烯氰原丝生产碳纤维和开发大束碳纤维, 把碳纤维价格降低到100 元/ kg 以下, 在我国才有广阔的应用前景。
(2) 为促进碳纤维在我国工程中的广泛应用,应大力开展CFRP 筋设计理论及应用技术的研究工作, 制定统一的生产和设计的标准及规格。
(3) 研究扩大碳纤维的应用范围, 碳纤维要降低价格必须扩大用量, 要扩大用量就必须扩大应用范围。
摘 要: 介绍了碳纤维的性能及碳纤维筋的生产工艺, 总结了碳纤维筋的应力应变关系, 对碳纤维筋生产标准提出了建议, 指明了碳纤维筋的发展趋势。
关键词: 碳纤维; 环氧树脂; 混凝土结构 Production Suggestion of CFRP Bar in Engineering
1 前 言
钢筋混凝土是最主要的建筑结构材料, 通过钢筋与混凝土之间的相互配合, 使构件具有良好的抗拉、抗压、抗弯及抗扭特性。但钢筋的锈蚀和腐蚀仍是一个难以解决的问题, 尽管目前采取了诸如增强混凝土的密实性、控制混凝土的裂缝宽度、在钢筋表面或混凝土表面涂覆树脂等措施, 但仍没有从根本上解决这一问题。特别是在港口工程结构、桥梁工程结构、化工厂等建筑物中, 这类问题尤为突出。为此急需寻找到一种既能防腐又具有良好的力学性能的材料来替代钢筋。随着复合材料的出现和发展, 我们发现碳纤维复合材料是一种理想的替代材料。目前碳纤维作为预应力筋来替代钢筋的方法已在日本和德国等国家得到使用。
我国对碳纤维的研究起步虽然较晚, 但发展迅猛, 碳纤维已应用到土木工程领域的很多方面, 但是目前关于工程用碳纤维筋(CFRP) 的生产及使用性能尚未有统一的标准。本文对碳纤维的生产要求提出建议, 并指出碳纤维在土木工程领域中的发展所急需解决的几个问题。
2 碳纤维丝和树脂的性能要求
2.1 碳纤维复丝的性能
碳纤维复合材料筋由两部分组成: 树脂基体和碳纤维复丝。其中碳纤维复丝的抗拉强度最高可达5000～6000MPa , 是钢筋的20倍左右。而其弹性模量按用途不同, 可分为高弹模纤维(模量> 500GPa) 、中等模量纤维(200～500 GPa) 和低模量纤维(100～200GPa) 。
碳纤维复丝的应力应变关系曲线从加载直至破坏都呈线性变化, 而不象钢筋一样存在着屈服现象, 故碳纤维复丝可以看作完全弹性体, 破坏形式为脆性破坏。
2.2 碳纤维复丝的选用
一般来讲, 碳纤维复丝的抗拉强度要比钢筋的抗拉强度高出很多, 弹性模量差异性很大, 建议在工程中所用的碳纤维复丝的弹性模量要与钢筋弹性模量相差不要太大。原因是: 一方面由低弹性模量的碳纤维制成的CFRP 筋会使构件的挠度增大; 另一方面在CFRP 筋作预应力的混凝土受弯构件中,低弹性模量的CFRP 筋会减少由于混凝土收缩和徐变引起的预应力损失, 因此建议在预应力构件中,碳纤维复丝的弹性模量选择为钢筋的弹性模量的四分之三左右为宜。
2.3 树脂基体的性能要求
树脂基体是纤维复合材料的粘接剂, 作用是将碳纤维复丝粘接成束共同受力, 并在纤维丝间传递剪力。因此树脂基体对碳纤维筋的性能有直接的影响。
对树脂基体选择的建议是:
①与碳纤维表面有良好的结合力, 以构成完整的界面;
②有与碳纤维相匹配的弹性模量和断裂延伸率, 碳纤维筋中受力者虽然是碳纤维复丝, 但其纵向拉深及压缩的承载力受基体的弹性模量影响很大, 因此建议树脂基体的拉伸与压缩强度越高越好;
③具备良好的耐湿性, 碳纤维筋构件的耐湿热性主要取决于树脂基体;
④良好的工艺性, 即指树脂各组成成分的混融性、树脂体系的成膜性、一定湿度下的粘度流动性、对纤维的浸润性等。
目前国内用于碳纤维筋的基体树脂主要是648 # 酚醛环氧、三氟化硼单乙胺和丙酮体系树脂,这类体系树脂价格较便宜, 综合性能好, 但成型后的性能较脆。国内目前已有单位利用TDE - 85 多功能团环氧树脂对该体系进行改性, 改性后的树脂基体具有工艺性好、力学性能优异的特点。对使用温度在- 55～120 ℃范围内的碳纤维复合材料, 是一种比较理想的选择。
3 CFRP 筋生产标准的建议
3.1 生产工艺流程
根据碳纤维筋所用的碳纤维原料不同, 碳纤维产品可分为两类: 一类是通长的( PAN) , 这是从聚丙烯氰纤维中获得的; 另一种是短节( Pitch) ,是石油或煤焦油融化制成。工程中使用的碳纤维为后一种。替代钢筋的碳纤维束(CFRP) 是由嵌在环氧树脂基体中的连续碳纤维组成, 其生产工艺流程是: 先将碳纤维固定在一起, 然后穿过基体浸胶槽, 接着由成型模拉出, 出来后的束状产品经过固化室, 让树脂在室内凝结硬化, 形成碳纤维复合材料筋(CFRP) 。
3.2 CFRP 筋的生产标准建议
为充分发挥碳纤维抗拉强度高的特点, 可将碳纤维以复合绳(Carbon fiber composite cable 简称CFCC) 的形式用于预应力工程中。从试验来看,工程中用的CFCC 的直径并不是越粗越好, CFCC抗拉强度随直径的增加而降低。因为CFCC 束表面处的粘接应力传递到中心处会发生剪力滞后现象,过大的横向剪切荷载将破坏环氧树脂的粘接力, 导致各根纤维丝的连锁失效。因此建议厂家在生产CFCC 时应以较小直径为主, 目前CFCC 形式有单股、7 股、19 股、37 股等, 直径从3 mm 到40 mm不等, 其中7 股Φ1215 mm 的CFCC 同7 股Φ1214 mm钢绞线相比, 如表1 所示。
表1 碳纤维筋和PC钢绞线性能比较
4 CFRP 筋力学性能的确定
4.1 CFRP 筋的应力应变关系
CFCC的力学性能及应力应变关系与钢筋不同。钢筋从加载至屈服表现出线性变化特征, 屈服之后呈现塑性特性。碳纤维筋由于是由碳纤维丝和树脂基体两种材料组成, 它的应力应变关系又与单纯的碳纤维丝的纯线性变化有所不同, CFRP 筋受力过程可分三个阶段: 第一阶段, 由于环氧树脂的抗拉强度远低于纤维丝的抗拉强度, 因此从加载至环氧树脂开裂, 在此过程中CFRP 筋中碳纤维丝和环氧树脂共同受力, 受力过程呈线性变化特征。第二阶段是从环氧树脂开裂至树脂基体完全破坏, 由于环氧树脂的塑性特性, 该阶段中CFRP 筋呈现塑性变化特征。第三阶段是从环氧树脂破坏直至CFRP 筋受拉破坏, 拉力由碳纤维丝单独承担, CFRP 筋呈现碳纤维丝的线性特征, 属脆性破坏。 因此, CFRP 筋性能的好坏, 既受纤维丝的制约,也受环氧树脂性能的影响。
4.2 CFRP 筋的抗拉强度与弹性模量
CFRP 筋的极限抗拉强度几乎只与其组成的纤维有关。值得注意的是, 与钢绞线相比, CFRP 筋的抗拉强度的离散性比较大, 离异系数达到3.17 ,而钢绞线的离异系数仅为0.16 , 因此碳纤维筋的生产要给予很高的安全储备才可以保证其设计强度,我们建议使用三倍的标准差, 此时失效概率可降低到约0.11% , 即:出厂保证强度= 强度平均值- 3σ (σ为标准差)而CFRP 筋的弹性模量由纤维和树脂的组成来决定, 试验结果表明: 在静力荷载下, CFRP 的弹性模量随荷载的增加而增大。如在200 MPa 下, CFRP的弹性模量为134 GPa ; 而在1200MPa下,弹性模量增加到149GPa。
4.3 CFRP 筋在长期荷载作用下的性能试验结果表明: CFRP 预应力筋的张拉控制应力取0.165～0.17Pu为宜, 扣除预应力损失后有效预应力为极限强度的50%左右. 在此预应力的范围内, 可不考虑温度对CFRP筋的松弛和徐变的影响, 同时CFRP筋的长期应力松弛值很小且与时间成线性关系, 可忽略不计, 但对于重要工程, 应力松弛损失可取3%。
5 CFRP 筋生产和使用存在的问题
价格问题是制约碳纤维发展的首要问题。各国生产厂家都在致力于降低碳纤维的价格, 美国的卓尔泰克公司(ZOLTEK) 生产的PANEX33 - 0048售价为15.64 美元/ kg , 这是目前为止世界上售价最低的碳纤维复合材料。与国外相比, 我国厂家生产的碳纤维售价偏高, 而且在生产中存在不少问题。如: 碳纤维性能不稳定; 离散系数偏大; 没有高性能纤维; 品种单一, 规格单一; 碳纤维连续长度不够; 存在毛团和毛丝等, 产品不够现代化; 大部分国产纤维未经过表面处理, 制成复合纤维, 层间剪力强度偏低等问题。
另一方面, CFRP 在土木工程领域使用前, 仍需解决几个问题, 如: CFRP 预应力筋在混凝土构件中的锚固方法; CFRP 预应力筋的疲劳强度的确定; 确定CFRP 预应力筋的应力应变的混凝土的设计方法; 考虑CFRP 性能的标准实验方法以及一个能体现在设计中的, 估计结构材料耐久性的方法。
6 CFRP 预应力筋的发展建议
(1) 大力研究开发低成本的碳纤维技术。降低碳纤维价格的关键是采用一般纺织用丙烯氰原丝生产碳纤维和开发大束碳纤维, 把碳纤维价格降低到100 元/ kg 以下, 在我国才有广阔的应用前景。
(2) 为促进碳纤维在我国工程中的广泛应用,应大力开展CFRP 筋设计理论及应用技术的研究工作, 制定统一的生产和设计的标准及规格。
(3) 研究扩大碳纤维的应用范围, 碳纤维要降低价格必须扩大用量, 要扩大用量就必须扩大应用范围。
