浅析用于建筑物修复和加固的纤维复合材料钢筋材料
摘 要
纤维复合材料钢筋（FRP筋）是近年来用于建筑结构修复和加固最重要原材料，由于FRP筋具有优异力学性能、耐腐蚀、耐疲劳等特性，因此在建筑工程领域成为逐渐成为钢筋的替代材料。
本文简要介绍了国外几种常用的FRP筋，如AFRP筋（芳纶）、CFRP筋（碳纤维）等特性，并介绍其在建筑领域应用前景。
《一文了解国外碳纤维索具材料在工业领域的应用与发展》
《碳纤维在桥梁工程中的应用》
1 FRP筋发展概述
外部预应力法是指将预应力筋放置在结构构件外部以对原结构进行修复或加固的一种常用方法。由于预应力筋重量轻对初始结构无影响，而且可以有效提高原始结构应力，因此在建筑领域应用越来越广泛。
早在上世纪50年代，外部钢筋就在建筑修复和加固中获得应用，但是由于钢筋存在腐蚀问题，而通过使用FRP筋则可以解决此问题。因此，自1970年代初以来FRP筋一直广泛关注。
最初FRP筋使用的材料是玻璃钢（玻璃纤维复合材料），后来随着其他高性能纤维尤其是碳纤维出现，由于GFRP比CFRP对应力腐蚀更敏感、且性能低，目前FRP筋常用的纤维为芳纶纤维和碳纤维。
日本早就提出了广泛的国家计划，来研究在混凝土结构中使用FRP增强材料的情况，并已经开发了几种商业FRP筋系统。
1993年，日本首先创建了用于建筑工程的FRP加固和预应力混凝土结构的设计指南，该指南首先在1995年在日本发布，然后在1997年以英文发布。
2 FRP筋材料特性
FRP筋的最大优点之一是重量轻、强度高。与钢筋相比，FRP筋的重量低至十分之一。钢筋与FRP筋材料特性对比如表1所示，其中FRP筋为制造商特定牌号材料性能，如CFRP筋若采用高模碳纤维，模量可达到200GPa。
表1 钢筋与FRP筋材料特性对比
3 几种常用FRP筋
FRP筋形状不一，有棒状、电缆状、矩形条状、编织棒状和多股钢丝形式。本文主要针对Arapree，Technora，Leadline和CFCC四种不同市售棒状FRP筋进行介绍的简短介绍。
Arapree是由Twaron HM芳族聚酰胺纤维制成，该纤维经环氧树脂挤塑，采用拉挤成型工艺，纤维含量为45％，基质含量为55％。FRP筋有条状或圆棒状。
Technora是由Technora芳纶纤维浸渍乙烯基酯树脂制成的拉挤产品，纤维含量为65％，基质含量为35％（体积）。有普通棒和带有外部螺旋绕组的棒（图1）。
图1 Technora产品示意图
Leadline由沥青基碳纤维和环氧树脂经过拉挤成型工艺制备，其中碳纤维体积含量65％，树脂含量为35％，并可提供圆形，凹形和肋形棒（图2）。
图2 Leadline产品示意图
CFCC（Carbon Fiber Composite Cable, 碳纤维复合电缆）由PAN基碳纤维经过环氧树脂浸渍处理制备，复合电缆是通过将许多小直径的杆（类似于传统的绞合线）绞合而成，纤维的含量为65％，基质的体积为36％（图3）。
图3 CFCC产品示意图（产品后面数字代表股线数量）
四种常用FRP筋性能对比如表2所示，从图中可以看出CMCC具有最小直径、截面积，却有着优异的力学性能和断裂伸长。
表2 四种FRP筋性能对比
在使用碳纤维复合材料材料加工高压储氢瓶时，需要考虑因素两个：成本和性能，关于高压瓶成本可参考《高压瓶成本分析》、《III型、IV型气瓶成本》。就碳纤维原材料体系而言，碳纤维成本和性能本来就是冲突的，因为要获得高性能就必须会增加成本。
在下期文章中会介绍日本东丽公司开发出高压气瓶用新型高强高模碳纤维，以该纤维为原料加工高压气瓶，并与传统碳纤维对比研究，结果显示在满足相同工作压力条件下，新型碳纤维高压储气瓶重量下降20%。
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