芳綸纖維在土建中的應用
背景
纖維增強塑料（fiber reinforced plastic 或fiber reinforced polymer，FRP）可用于新建結構、補強加固舊建筑物、構筑物、預應力結構、路面結構、橋梁工程、海岸和近海工程中。FRP中用于工程的主要有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。土建結構加固中常用的纖維材料主要是碳纖維布（Carbon FRP sheet）和玻璃纖維布（Glass FRP Sheet）。由于玻璃纖維布的強度和彈性模量較低，其加固效果、耐久性較碳纖維布稍差，所以，自二十世紀90年代末碳纖維布進入土建加固領域以來，玻璃纖維布的應用和研究逐漸減少，取而代之的是對碳纖維布研究和應用的熱潮。碳纖維布具有質量輕、強度高、彈性模量大等特性，使其適用范圍遍布整個土木工程領域，但碳纖維布的某些性質使其在一些場合并不是佳選擇，如碳纖維布脆性大，不能彎折，因而不適合于方柱加固。另外，碳纖維布是一種導電、導磁的材料，在某些特殊工程中不適合使用，如醫院的核磁共振室、信號接收塔等結構。在這種情況下，芳綸纖維布（Aramid FRP Sheet，AFRP）進入了土建加固領域的研究和應用之中。
芳綸纖維與碳纖維、玻璃纖維相比，力學性能介于二者之間，見下表。芳綸纖維布柔韌性好，適合于方柱的加固，而且是電場、磁場的絕緣體，不會對電場、磁場產生干擾。
二、研究現狀
芳綸纖維布除了具有FRP 復合材料的共性，即輕質高強、高彈模、耐腐蝕等性能外，還具有非常好的抗沖擊、抗剪、抗疲勞、延性、電絕緣性的特點，是一種非常理想的混凝土墩柱、鋼筋砼梁加固、防撞及抗震材料，比碳纖維更適合于鐵道、電氣設施等結構物，因而有其優勢，受到人們的青睞。日本于1996年6月組成芳綸FRP材料的加固研究組，由杜邦、東麗、帝人和Nihon Aramid ，以及幾家建筑公司等30個成員參加，旨在實現高速公路、鐵道支承柱和結構件的抗震改型補強。
美國West Virginia 大學Wael A.Zatar等人2003年將AFRP呈U型外包粘貼在RC梁上，梁抗剪切承載力提高5%，作者采用有限元法進行模擬，模擬結果與實際情況吻合。該模型可定量確定高速公路的哪根RC梁需要用AFRP板加固。
日本Ryukyus 大學Kooroush Nasrollahzadeh等人2004年用芳綸纖維帶加固方柱，這項技術具有兩個優點：（1）應用方便、快捷，無需重型機械；（2）不需倒角，故也無需運走柱倒角產生的塵渣，因而省時、節能；（3）是修補震后RC柱的理想選擇。實驗結果發現，粘貼2層芳綸纖維、條帶間距200mm時，方柱軸心受壓變為原來的20%，承載力提高80%。
美國Alabama大學 Toutanji, Houssam等人2002年采用芳綸外包增強混凝土梁，測量了受試樣品的軸心負載和環應力負載，發現芳綸纖維明顯增強混凝土梁的強度、延展性。作者還測試了惡劣環境條件下（如：濕-干條件、凍融條件）芳綸外包增強混凝土梁的性能。樣品暴露在鹽水中經過濕-干300次循環，結果表明濕-干試驗，樣品強度不改變 ，凍融試驗，樣品強度發生改變。
比利時De Neef, Dirk Christiaan Jozef Isidoor 申請的美國US 2002193025采用芳綸等纖維對梁、柱、板等進行外部加固，在該外部加固材料的輪廓界限分明的部分提供由纖維構成的附加的加固材料，該構成附加加固材料的纖維按照至少一個不同于加固材料的縱向的方向布置。該已在申請，號為CN1388848。
國內也在加緊研究，如：華南理工大學交通學院趙琛等人2003年通過試驗研究了芳綸纖維片材對鋼筋混凝土梁抗剪加固作用,分析了不同粘貼方式和錨固方式對加固效果的影響。按照條帶間距的不同將六根試件分成三組（I、J、K），AFRP薄板均為U型外包設計。I組極限荷載為75.3078～77.4029kN，極限荷載平均值為76.3554 kN，與未加固梁對比，抗剪承載力提高9.1%。
深圳海川工程科技有限公司何唯平等人2004年將芳綸布應用在混凝土墩柱加固中。采用芳綸布時棱柱體構件棱角只需打磨10 mm 左右，粘貼2層路威2008 芳綸纖維布后，柱承載力提高51.7%。
后勤工程學院軍事土木工程系賈明英、冶金工業部建筑研究總院陳小兵、新疆軍區建筑勘察設計院趙紅梅等人2002年以15 根外包碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱軸心受壓后試驗結果為基礎，著重研究混凝土圓柱外包碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維3 種復合纖維軸心受壓后的抗壓強度和變形能力的提高程度，并對3 種FRP 材料的約束效果進行對照。其中芳綸纖維強度較高，承載力提幅較大，1層時承載力提幅73%；2層時承載力提幅174%；3層時承載力提幅250%。纖維厚度對組合柱承載力影響很大。芳綸纖維明顯：承載力兩層為單層的2.7 倍，3 層為單層的3.9 倍。
三、應用案例
作為一項成熟的技術，用芳綸纖維對混凝土進行加固，在工程實踐中已被采納。以日本為例：South Yard Country Club吊橋建于1990年，采用4.86×19.5mm（0.2×0.75in.）芳綸纖維片加固；Tabras Golf Club 橋（梁式,跨度11. 8m ，寬2. 4m）1990年采用芳綸帶加固；Birdie 橋（梁式,跨度54. 4m，寬2. 4m）1990年采用芳綸筋加固；Sumitomo 橋（梁式，跨度25m，寬2. 4m）1991年也采用芳綸筋加固；羽田國際機場的非磁性測試混凝土路面采用碳纖維和芳綸筋加固（用樹脂鑄造和楔的辦法固定，不需要承擔永久荷載）。
除碳纖維外，與纖維筋類似，我國及美國、日本、加拿大等國已有用芳綸纖維和玻璃纖維制成的產品（布、條或板）。值得指出的是，國際橋梁與結構工程學會（IABSE）在1999年11月出版的Structural Engineering第9卷第4期中，集中報道了加拿大、美國、日本、歐洲諸國在發展使用這種新型材料方面的經驗，對激發我國開展這種新材料的生產與應用很有意義。
纖維增強塑料（fiber reinforced plastic 或fiber reinforced polymer，FRP）可用于新建結構、補強加固舊建筑物、構筑物、預應力結構、路面結構、橋梁工程、海岸和近海工程中。FRP中用于工程的主要有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。土建結構加固中常用的纖維材料主要是碳纖維布（Carbon FRP sheet）和玻璃纖維布（Glass FRP Sheet）。由于玻璃纖維布的強度和彈性模量較低，其加固效果、耐久性較碳纖維布稍差，所以，自二十世紀90年代末碳纖維布進入土建加固領域以來，玻璃纖維布的應用和研究逐漸減少，取而代之的是對碳纖維布研究和應用的熱潮。碳纖維布具有質量輕、強度高、彈性模量大等特性，使其適用范圍遍布整個土木工程領域，但碳纖維布的某些性質使其在一些場合并不是佳選擇，如碳纖維布脆性大，不能彎折，因而不適合于方柱加固。另外，碳纖維布是一種導電、導磁的材料，在某些特殊工程中不適合使用，如醫院的核磁共振室、信號接收塔等結構。在這種情況下，芳綸纖維布（Aramid FRP Sheet，AFRP）進入了土建加固領域的研究和應用之中。
芳綸纖維與碳纖維、玻璃纖維相比，力學性能介于二者之間，見下表。芳綸纖維布柔韌性好，適合于方柱的加固，而且是電場、磁場的絕緣體，不會對電場、磁場產生干擾。
二、研究現狀
芳綸纖維布除了具有FRP 復合材料的共性，即輕質高強、高彈模、耐腐蝕等性能外，還具有非常好的抗沖擊、抗剪、抗疲勞、延性、電絕緣性的特點，是一種非常理想的混凝土墩柱、鋼筋砼梁加固、防撞及抗震材料，比碳纖維更適合于鐵道、電氣設施等結構物，因而有其優勢，受到人們的青睞。日本于1996年6月組成芳綸FRP材料的加固研究組，由杜邦、東麗、帝人和Nihon Aramid ，以及幾家建筑公司等30個成員參加，旨在實現高速公路、鐵道支承柱和結構件的抗震改型補強。
美國West Virginia 大學Wael A.Zatar等人2003年將AFRP呈U型外包粘貼在RC梁上，梁抗剪切承載力提高5%，作者采用有限元法進行模擬，模擬結果與實際情況吻合。該模型可定量確定高速公路的哪根RC梁需要用AFRP板加固。
日本Ryukyus 大學Kooroush Nasrollahzadeh等人2004年用芳綸纖維帶加固方柱，這項技術具有兩個優點：（1）應用方便、快捷，無需重型機械；（2）不需倒角，故也無需運走柱倒角產生的塵渣，因而省時、節能；（3）是修補震后RC柱的理想選擇。實驗結果發現，粘貼2層芳綸纖維、條帶間距200mm時，方柱軸心受壓變為原來的20%，承載力提高80%。
美國Alabama大學 Toutanji, Houssam等人2002年采用芳綸外包增強混凝土梁，測量了受試樣品的軸心負載和環應力負載，發現芳綸纖維明顯增強混凝土梁的強度、延展性。作者還測試了惡劣環境條件下（如：濕-干條件、凍融條件）芳綸外包增強混凝土梁的性能。樣品暴露在鹽水中經過濕-干300次循環，結果表明濕-干試驗，樣品強度不改變 ，凍融試驗，樣品強度發生改變。
比利時De Neef, Dirk Christiaan Jozef Isidoor 申請的美國US 2002193025采用芳綸等纖維對梁、柱、板等進行外部加固，在該外部加固材料的輪廓界限分明的部分提供由纖維構成的附加的加固材料，該構成附加加固材料的纖維按照至少一個不同于加固材料的縱向的方向布置。該已在申請，號為CN1388848。
國內也在加緊研究，如：華南理工大學交通學院趙琛等人2003年通過試驗研究了芳綸纖維片材對鋼筋混凝土梁抗剪加固作用,分析了不同粘貼方式和錨固方式對加固效果的影響。按照條帶間距的不同將六根試件分成三組（I、J、K），AFRP薄板均為U型外包設計。I組極限荷載為75.3078～77.4029kN，極限荷載平均值為76.3554 kN，與未加固梁對比，抗剪承載力提高9.1%。
深圳海川工程科技有限公司何唯平等人2004年將芳綸布應用在混凝土墩柱加固中。采用芳綸布時棱柱體構件棱角只需打磨10 mm 左右，粘貼2層路威2008 芳綸纖維布后，柱承載力提高51.7%。
后勤工程學院軍事土木工程系賈明英、冶金工業部建筑研究總院陳小兵、新疆軍區建筑勘察設計院趙紅梅等人2002年以15 根外包碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的混凝土圓柱軸心受壓后試驗結果為基礎，著重研究混凝土圓柱外包碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維3 種復合纖維軸心受壓后的抗壓強度和變形能力的提高程度，并對3 種FRP 材料的約束效果進行對照。其中芳綸纖維強度較高，承載力提幅較大，1層時承載力提幅73%；2層時承載力提幅174%；3層時承載力提幅250%。纖維厚度對組合柱承載力影響很大。芳綸纖維明顯：承載力兩層為單層的2.7 倍，3 層為單層的3.9 倍。
三、應用案例
作為一項成熟的技術，用芳綸纖維對混凝土進行加固，在工程實踐中已被采納。以日本為例：South Yard Country Club吊橋建于1990年，采用4.86×19.5mm（0.2×0.75in.）芳綸纖維片加固；Tabras Golf Club 橋（梁式,跨度11. 8m ，寬2. 4m）1990年采用芳綸帶加固；Birdie 橋（梁式,跨度54. 4m，寬2. 4m）1990年采用芳綸筋加固；Sumitomo 橋（梁式，跨度25m，寬2. 4m）1991年也采用芳綸筋加固；羽田國際機場的非磁性測試混凝土路面采用碳纖維和芳綸筋加固（用樹脂鑄造和楔的辦法固定，不需要承擔永久荷載）。
除碳纖維外，與纖維筋類似，我國及美國、日本、加拿大等國已有用芳綸纖維和玻璃纖維制成的產品（布、條或板）。值得指出的是，國際橋梁與結構工程學會（IABSE）在1999年11月出版的Structural Engineering第9卷第4期中，集中報道了加拿大、美國、日本、歐洲諸國在發展使用這種新型材料方面的經驗，對激發我國開展這種新材料的生產與應用很有意義。
