1、前言
高性能纖維增強塑料（advanced fiber reinforced plastics ,FRP）因具有比強度高、比剛度高、可設(shè)計性強、抗疲勞、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定及特殊的電磁功能等特點，是航空、航天、軍用武器裝備等首選材料之一，隨著社會經(jīng)濟形勢的變化及先進復(fù)合材料的高速發(fā)展，高性能纖維增強塑料已從尖端領(lǐng)域的應(yīng)用擴展到一般工業(yè)領(lǐng)域，尤其是日本阪神大地震之后，高性能纖維片材作為土木工程結(jié)構(gòu)加固和修補用材料， 在美國、日本及歐洲都得到了廣泛地應(yīng)用。與傳統(tǒng)的土木工程結(jié)構(gòu)加固和補強方法相比，高性能纖維片材具有如下優(yōu)點；輕質(zhì)，高強，材料可設(shè)計，耐疲勞，抗腐蝕，施工簡潔、方便，綜合成本低等特點，高性能纖維片材在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，開辟了一條高效、方便、經(jīng)濟加固土木工程結(jié)構(gòu)的新途徑。在中國，自90年代末開展碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用研究以來，尤其是《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》頒布以來，碳纖維片材在加固領(lǐng)域的應(yīng)用迅猛上升， 2004年全年用量已達到80余萬平方米。但是，由于碳纖維屬于軍用敏感物資，全球僅有日本、美國等少數(shù)幾家公司能提供商品化生產(chǎn)，易被壟斷。最近幾年由于多方原因，產(chǎn)品供不應(yīng)求，價格急劇上升，這導(dǎo)致工程成本大幅上升。目前在日本及歐美等國，玻璃纖維片材在某些領(lǐng)域亦等到較廣泛的應(yīng)用，利用我國玻璃纖維的優(yōu)勢，開發(fā)低成本的、適合土木工程結(jié)構(gòu)加固要求的玻璃纖維纖維片材理應(yīng)成為當務(wù)之急。


2、玻璃纖維的性能及比較
先進復(fù)合材料的主要增強材料包括碳纖維、玻璃纖維，芳綸纖維等三大類。高性能纖維的性能指標見表1。
玻璃纖維是由玻璃經(jīng)熔融拉絲制成，主要分為E玻璃纖維、S玻璃纖維、A玻璃纖維、C玻璃纖維等。E玻璃纖維含堿量（K、Na）低于1%，具有較大的強度、剛度、延展性，絕緣性、耐熱性、耐濕性優(yōu)越，價格便宜；S玻璃纖維比E玻璃纖維具有較大的強度、剛度、耐熱性、耐濕性和耐疲勞性，價格也較高，但比碳纖維及芳綸纖維價格低， S玻璃纖維國產(chǎn)牌號為HS2、HS4，主要用于航空、航天、軍用武器裝備及壓縮天然氣氣瓶等。A玻璃纖維、C玻璃纖維含堿量（K、Na）較高，強度也較低，尤其在濕態(tài)環(huán)境下強度下降較多，不適于結(jié)構(gòu)加固。玻璃纖維與碳纖維相比，最大的弱點是剛度不夠高，耐腐蝕較差，尤其是耐堿性較差，這在相當程度上限制了其在土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。近幾年，國內(nèi)外新開發(fā)出了耐化學腐蝕性更好的ECR玻璃纖維，ECR纖維與E玻璃纖維的耐化學腐蝕性如表2所示。
表1。高性能纖維性能
纖維種類 直徑
μm 密度
g/cm3 拉伸強度GPa 拉伸模量GPa 斷裂伸長% 熱膨脹系數(shù)
10-5K-I 熱傳導(dǎo)系數(shù)Mw*cm-1*K-1 回潮率%
縱向 橫向 縱向 橫向
玻璃纖維 S型 7 2.50 4.6 90 4.0 0.56 — — — —
E型 21 2.54 3.1 74 4.4 0.49 0.49 11 — —
ECR型 21 2.54 3.9 80 4.9 0.49 0.49
碳纖維 HS 7 1.76 5.5 294 1.9 -0.03 1.0 240 — —
HM 7 1.76 3.9 588 0.7 -0.07 1.0 1015 — —
芳綸纖維 LM 7 1.44 2.8 62 3.6 — — — 4.5
HM 12 1.44 2.8 124 2.8 -0.6 5.9 32 4.5
KM2 1.44 3.1 58 4.0


表2。ECR玻璃纖維與E玻璃纖維耐化學腐蝕性對比
樣品 失重
10%H2SO4,24hr 10%HCL, 24hr 0.1N NaOH, 24hr
E玻璃纖維 17.85% 22.30% 0.46%
ECR玻璃纖維 0.21% 0.21% 0.27%


由表2?？芍?，ECR玻璃纖維的耐化學腐蝕性能比傳統(tǒng)的E玻璃纖維有了很大的提高，同時，與碳纖維相比，其延性較好，價格便宜，且電絕緣，尤其玻璃纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與混凝土接近，在復(fù)合材料與混凝土界面處因冷熱交變而導(dǎo)致的應(yīng)力小，因此其在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

3、 玻璃纖維片材的制備工藝及特點
土木工程結(jié)構(gòu)加固用高性能纖維片材根據(jù)制備工藝可分為三類：機織織物、非織造織物及縫編織物。由于玻璃纖維的拉伸模量比較低，因此片材的厚度應(yīng)比碳纖維片材厚。如采用非織造織物即網(wǎng)格支撐工藝制備，所制片材易松散，難以滿足現(xiàn)場施工要求；而采用縫編織物工藝，則需被襯薄氈，這將大大增加施工用膠量，增大施工成本。因此采用機織工藝，采用單向稀緯平紋織物結(jié)構(gòu)，并通過化學等方法將縱向纖維定型。該織物特點是經(jīng)向纖維含量大于97%，緯紗稀細，經(jīng)紗無變形，并且經(jīng)紗經(jīng)扁平化處理，利于浸膠，同時在織物結(jié)構(gòu)最有效的部位均勻地附著粘接劑，織物不變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易裁剪，便于施工,在每束纖維之間存在縫隙，利于氣泡的排除，最終復(fù)合材料性能氣泡率低，材料性能好。同時所采用的ECR纖維的單絲直徑為23μm，與低直徑的纖維相比，浸透性更好。我們所研制的G430E、G900E玻璃纖維片材的性能指標及國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能指標如表3。
雖然玻璃纖維片材的厚度增加，其用膠量加大，但其綜合材料成本（含膠）（在承擔相同的加固荷載下）為200克碳纖維的三分之二，為高強度玻璃纖維的二分之一。

表3。玻璃纖維片材的性能指標
牌號 TYFO
SHE-51 SGFW
-430 LICA
G900E LICA
G430E
纖維類型 E玻纖 HS2玻纖 ECR玻纖 ECR玻纖
纖維密度g/cm3 2.54 2.53 2.54 2.54
纖維單位重量g/m2 913 430 900 430
名義厚度mm 0.365 0.169 0.355 0.169
抗拉強度MPa 平均值 2020 2600 1700 1800
標準值 1500 2000 1500 1500
拉伸模量GPa 72 90 80 80
斷裂伸長% ＞1.8 ＞2.0 ＞1.8 ＞1.8


4 玻璃纖維片材的耐久性研究
研究了E型玻璃纖維片材（含浸樹脂）的老化性能，結(jié)果如表4。所示。
表4。玻璃纖維片材的老化性能
樣品 耐水性能
自來水
23℃，30天 凍融實驗
-17±2℃和
8±2℃
3小時/次
循環(huán)次數(shù) 100 濕熱老化試驗
溫度 38℃，
濕度98%，
時間1000小時 堿環(huán)境
25±2℃
飽和氫氧化鈣溶液（PH14）
30天
CFRP 抗拉強度 無明顯變化 下降8% 無明顯變化 無明顯變化
拉伸模量 無明顯變化
極限應(yīng)變 下降10%
GFRP 抗拉強度 下降10% 下降13% 下降20% 下降30%
拉伸模量 無明顯變化 無明顯變化 下降12% 下降12%
極限應(yīng)變 下降8% 下降13% 下降10% 下降8%

參照表2的數(shù)據(jù)，ECR玻璃纖維片材的耐老化性能指標應(yīng)該強于E玻璃纖維片材。
美國ACI440在制定FRP系統(tǒng)加固混凝土結(jié)構(gòu)指南時，針對不同環(huán)境對材料性能的影響，給出了相因的影響因子，如表5所示。

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文章來源： 永年加固公司
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