新型FRP层压板解决老问题0

新型FRP层压板解决老问题

新型FRP层压板解决老问题 2011年12月12日 来源： 一种新型FRP制品能够解决传统层压板或湿法手糊系统无法解决的许多结构修复和翻新工程方面的问题。QuakeWrap公司总裁Mo Ehsani教授讨论了这种“超级层压板”的优势。20世纪80年代晚期，亚利桑那大学的研究者们首次开始纤维增强复合材料（FRP）层压板外部粘结加固的研究，并发表了第一篇论文。1989年Loma Prieta地震中，许多桥梁倒塌以后，加州交通部开始寻求桥墩的加固方案。于是，该研究小组第一次将他们的研究成果付诸实践，即用FRP从外面包裹住这些桥墩。当初被许多人怀疑的这种不同寻常的方法，自那时起逐渐成为世界范围内用于结构修复和翻新的主流技术。 针对FRP制品的全球性研究风潮和开发行动，引发了大量国际性研讨会的召开，以及美国土木工程学会（ASCE）《复合材料建筑》（Journal of Composites for Construction）杂志在1997年的创刊。FRP制品的高拉伸强度、轻量、耐久性和多功能性使其成为许多翻新工程的首选材料。 全世界有大量的建筑、桥梁、管道采用FRP制品进行过修复。随着设计规范的发表，FRP不再是一种实验性产品，而是受到良好认可的建筑材料。目前采用的FRP制品形式可以分为两类： ◆ 织物 ◆ 预固化制品 织物在该领域内具有最广泛的用途，主要采用湿法手糊工艺安装。该方法需要由受过专门培训的技术人员准备好树脂，然后用树脂浸渍织物，最后再将其铺放到结构部件上。织物在固化前必须认真去除其中的所有气泡。因此，手糊FRP制品的最终强度主要取决于安装质量。 预固化制品是在工厂内制成的，质量可控且稳定。较高的纤维/树脂比也为这些制品提供了高于手糊制品的强度和硬度。预固化制品有加强筋和单向层压带两种类型。后者宽度通常在75-100毫米（3-4英寸）之间，厚度大约为1.3毫米（0.05英寸）（图1）。在建筑修复领域，通常使用环氧胶将层压带粘结在结构部件的外表面上。

图1 . 从左至右：碳纤维和玻纤超级层压板；碳纤维层压带

虽然层压带相对于手糊制品具有安装简便、强度高的优点，但其应用相对来说还是有限的，原因有两个： ◆ 带有单向增强材料的层压带只适用于梁和平板的弹性增强，以及某些梁的剪切增强； ◆ 层压带的硬度不允许它们卷成直径小于750毫米（30英寸）的卷。（后面将谈到，这是其无法涉足某些应用的主要限制。） 目前用于生产层压带的设备和技术不适合制造大型层压板。因此，解决层压带的上述缺陷很有必要。 超级层压板 20年来，建筑工程师一直在湿法手糊工艺中采用织物或直接使用层压带。这些材料本身就存在局限，从而限制了结构工程师为某些应用提出经济高效的解决方案。 “超级层压板”是新一代的FRP制品，由作者开发的这一材料克服了层压带的上述缺陷。下文将会讲到，这些制品解决了多年来困扰工程师和建筑专家的问题。某些情况下，没有超级层压板就不可能有解决方案。 超级层压板采用专门的设备制成。宽达1.5米（60英寸）的碳纤维板或玻纤织物由树脂浸渍后，通过一个压床时，在均匀的热量和压力下，形成层压板。超级层压板（图1）相对于传统层压材料具有三大优势。首先，单向或双轴向织物使层压板同时具有横向和纵向的强度，这一巨大优势使其进入许多新的应用领域。第二，它们比传统层压带薄得多，基本厚度为0.66毫米（0.025英寸），可以很容易卷成直径为300毫米（12英寸）甚至更小的卷。最后，铺层的数量和模式可以调节，从而生产出完全定制的产品，节约大量的制造时间和成本（图2）。

图2. 一片超级层压板中可以结合多层织物

图1显示了一卷3英尺（90厘米）宽的碳纤维超级层压板和一卷4英尺（120厘米）宽的玻纤超级层压板，最右边是传统的3英寸（7.6厘米）宽的碳纤维层压带。超级层压板的弹性很好，可以卷成很小的直径，大型碳纤维板的一角很容易折叠起来。超级层压板可以使FRP制品在建筑工程领域的认可度获得巨大提升。某些建筑方面的难题只有超级层压板可以解决。 管道的增强 ASCE于2009发布的关于美国基础设施的报告指出，管道的泄漏每天导致大约70亿加仑（260亿升）的清洁饮用水白白流失。此外，输水管网和石油、化工、电力行业的许多管道都出现了老化，需要修复或增强。 这些管道通常承受着一定的压力，钢筋混凝土中增强材料的老化或厚度的减小，使得管道对内部环向应力的抵抗强度下降。如果不加留意，发生故障的后果是非常严重的，可能会使整个地区被水淹没，或者导致工厂的紧急停机。 过去的管道增强方法是在管道内表面铺设一层或多层碳纤维织物。这些织物可以在环向和纵向为管道提供足够的强度。但是，湿法手糊工艺速度缓慢，工期长，这是该方法的主要缺陷，特别是在管道比较长的情况下。 超级层压板相对于湿法手糊系统具有几大优势。首先，产品的机械性能可以在安装到管道内之前进行独立测试，以便剔除有瑕疵的产品。这一点手糊方法是做不到的。在后面介绍的案例中，样品先在安装现场制备好，几天后才进行测试。如果有质量问题，就会浪费大量的时间和金钱。超级层压板在生产工厂内就进行质量控制，能够为工地直接供应成品。 第二，超级层压板大大缩短了施工时间，因为最耗时的工作（即织物的浸渍和气泡的消除）是在制造工厂内完成的，而不是在管道内。QuakeWrap公司销售的层压板商标为PipeMedictm，可以根据每个工程的需要提前生产，通过人工检修口置入管道内。层压板的弹性很好，可以卷成小卷穿过直径为600毫米（24英寸）的人工检修口。进入管道后，卷就会自动打开，超级层压板的弹性效应使其紧贴管道内壁——就像一个受压的弹簧。没有气泡需要去除。安装现场也不需要大型树脂设备。 第三，一种层压板中可以采用多层织物，进一步缩短施工时间。例如，为防止钢质管道发生电偶腐蚀而进行的加固，通常需要在管道内壁先铺设一层玻纤织物，然后再铺设碳纤织物。这种防护层可以在生产过程中直接置入超级层压板中，从而避免在现场铺设两层织物的麻烦，只需要一层超级层压板即可。在其他应用中，可能需要不止一层碳纤维织物进行加固，同样，多层的织物也可以结合到一片层压板中。 以上方法为极大地提高了管道翻新的效率，通常可以节约80%以上的施工时间。修复时间的显著缩短，使大型翻新工程得以实施。例如，水务部门不可能承受传统湿法手糊修复所需要的长时间的停机。 安装时，首先在超级层压板的反面涂覆一层环氧树脂胶，然后将其粘贴到管道内壁（图3）。由于超级层压板是预固化的，因此省略了除泡过程。在不同直径的管道内，卷起的超级层压板可以很容易地紧贴在管壁上。超级层压板可以一环一环地沿着管道铺设，环的宽度最宽达1.5米（60英寸）。环的连续性依靠环向和纵向上充分的重合长度来实现。因此，管道内会很快形成一个在环向和纵向都具有足够强度的压力容器。这是窄的单向层压带迄今都无法实现的。

图3. 成卷的层压板可以放入管道内，并粘贴在管壁上

如果管道直径较小，人无法进入，可以采用“打包”方法来进行修复。将超级层压板切割成合适的长度，涂上环氧树脂胶，包覆在一个圆柱形的结构（其外侧带有一个密封的气囊）上，然后用绳子系住。整个组合放入管道内后，借助闭路摄像机，将其拉到所需的位置。此时，气囊就会膨胀，使超级层压板粘附到管壁上。几分钟后，待气囊内的气体泄出，即可将圆柱结构移出管道。 超级层压板对于管道直径的适用性，即“一种尺寸行天下”，为承包商节约了大量的时间和成本。目前市场上销售的大多数以内衬形式修复或加固管道的产品，具有统一的直径，不能用于不同尺寸的管道内。 混凝土方柱的修复 在方形柱体外侧包裹FRP（甚至钢材）护套效果并不好。因为柱角可以很好地封闭起来，但侧面的密封效果相对而言并不好。因此，主要的问题就是如何在方形柱子周围制造一个圆柱形的FRP护套。 当然，可以使用一个临时的框架在方柱周围浇筑混凝土使其变成圆柱，移走框架后，再用FRP包裹住圆柱。但是这种方法非常耗时，成本又高。 如图4所示，超级层压板使这一难题迎刃而解。为便于操作，可以选用较窄的超级层压板（例如600毫米宽）从柱子底部开始形成护套。

图4. 混凝土方柱上包裹一层连续的超级层压板，形成一个圆柱结构的护套。

重叠相接部分通常是超级层压板宽度的一半，在本案例中也就是300毫米（12英尺）。在护套背面涂上一层环氧树脂胶，将其一圈圈卷至柱子顶端。为防止顶端在弹性效应下散开，可以用一根浸润过树脂的纤维带在护套顶端缠绕几圈。 这样形成的坚固无缝的结构护套在横向和纵向上都具有一定的强度和硬度。超级层压板中的纵向纤维为柱子的侧面（环向）提供保护；沿柱子轴向排列的横向纤维有300毫米的重叠长度，为柱子提供连续的增强。螺旋升角导致的性能的轻微下降可以通过简单的几何学计算出来。护套和柱体之间的环形间隙可以用树脂或水泥灰浆填充起来，如有需要，可以施加压力，以进一步加固柱体。 实际上，这种方法也可用于腐蚀老化圆柱的加固。现在，腐蚀的钢柱一旦修复，就要浇筑一层混凝土使其恢复原来的圆柱形状，然后再使用FRP织物进行包覆。超级层压板可以省略这一步骤，因为它可以直接包覆在表面不平整的柱体外侧，形成一层光滑的圆柱形外壳。外壳与圆柱之间的空隙可以注入树脂或填充灰浆。 钢柱的修复 在腐蚀性工业环境中（例如采矿），钢柱会由于腐蚀导致性能损失，令人担忧。即使在未发生腐蚀时，弯曲载荷往往也限制了钢柱的性能。据说，超级层压板出现之前，还没有使用FRP对其进行加固的先例。 与混凝土柱体的加固方法相同，钢柱也可以采用连续护套来进行加固，环形空隙用灰浆来填充（图5）。这样形成的复合材料（混凝土+钢）柱体具有较大的承载能力，而且抗压性能和弯曲载荷都有提升。

图5. 钢柱包裹在由超级层压板制成的圆柱形无缝结构护套内

水下桩的修复 世界各地有各种桥梁、码头和海上平台都是由桩支撑的。这些桩的浪溅带要经受干湿循环腐蚀，很快就会发生老化。过去人们开发了许多商业化的修复系统。这些系统大多包括两个半壳，通常采用玻纤增强材料制成，并定制成一定的尺寸。这些护套是预先制造的，由大型货箱运到工地现场。在现场，护套放置在桩的周围后，用钢质螺栓或钢带固定在一起。最后，环形空隙之间用灰浆填充，外壳或者移走，或者留在原地。 这些系统有三大缺陷。第一，需要提前制定安装日程，并定制符合特定桩尺寸的护套。第二，潜水员需要大量的时间来协助水下的安装工作。第三，护套上存在纵向接缝，灰浆不能在这样的薄弱面施压。如果后者导致结构上的缺陷，那么就会增加前两项工作的施工成本。 与上述柱体加固的方法相似，“无缝”护套可以在现场制造（图6）。QuakeWrap公司提供的这种产品商标为PileMedictm。一卷超级层压板就可为各种尺寸和形状的桩制成圆柱形的护套。如果现场条件允许，可以先从水上部分（桩的干燥位置）开始制造护套。转完几圈之后形成的一部分护套可以慢慢放入水下，同时工人可以继续制造水位之上剩余部分的护套。涂覆在护套上的耐潮湿环氧胶可以在水中固化。这大大简化了水下桩的护套制造过程。

图6. 由上至下：在钢管周围用超级层压板制成一个连续的PileMedictm护套；环形间隙用水泥灰浆填充；修复后的桩。

护套制造完成后，护套和桩之间的环形间隙从上下两端密封，可采用类似自行车轮胎的橡胶袋。环形间隙下端的密封是最难的，可能需要潜水员的协助。然后，在环形间隙内填充灰浆或树脂，如有需要，还要施加压力，保证其充满老化桩的所有孔隙和裂缝。压力还会使桩的环向加固，从而提高其轴向载荷能力。 独特的解决方案 在FRP用于结构修复和加固的20年之后，作者开发了这种超级层压板FRP制品。这种产品是一项重大的技术进步，解决了许多修复和翻新工程中传统层压板和湿法手糊系统不能解决的难题。由于篇幅限制，本文只介绍了一部分应用案例，某些情况下，这些解决方案提供了以前不可能实现的解决方案。希望这一技术继续发展，FRP制品在建筑工程中的应用越来越广泛。更多信息： Mo Ehsani, QuakeWrap Inc; >

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