5强复合材料轻质加气混凝土FRPALC夹层结构

新型纤维增强复合一轻质加气混凝土 (FRP-ALO)夹层结构 吴刚1吴智深1’2孙泽阳’孙维理4田野3冯武强1 (I．东南人学城市工程科学国际研究中心南京210096；2．日奉茨城大学丁学部口克市316-8511； 3．北京特希达技术研发自．限公司北京100011；4．南京旭建新型建筑材料有限公司南京2l0003) 摘要：针对现有传统夹层结构存在的缺点，本文提出一种FRP、轻质加气砼ALC等复合后的FRP．ALC新 型夹层结构，并对其抗弯性能进行了研究，结果表明，FRP增强后的FRP．ALC结构抗弯性能得到盟著的提 高，为以后系统研究j￡抗冲击和抗爆炸性能研究打下了摹础。 关键词：纤维增强复合材料(FRP)；轻质加气混凝士(ALC)；夹层结构 ANewFiberReinforcedPolymer--AutoclavedLightweightConcrete (FRP．ALC)SandwichStructure WUGan91WUZhishenl·2SunZheyangl1 SunWeili4TianYe3andFengWuqian91 (1．InternationalInstituteforUrbanSystemsEngineering，Nanjing210096，China；2．DepartmentofUrban&CivilEngineering， IbarakiUniversity,Hitachi316-851 1，Japan；3．BeijingTexidaTechnologyR&DCo．Ltd．，Beijing1 0001i，China；4．NanjingAsahi NewBuildingMaterialsCo．，Ltd．，Nanjing210003，China) Abstract：Thispaperproposesanewsandwichstructurethatiscombinedwithfiberreinforcedpolymer(FRP)and autoclavedlightweightconcrete(ALC)andaimsatsoifingthedeficiencyofexistingtraditionalsandwichones． ExperimentalresultsshowthattheFRP—ALCslabhasasignificantimprovedflexumlperformance．Thepresent researchisalsohelpfulforevaluatingtheperformanceofimpactandblastresistanceoftheFRP·ALCSandwich Structureinthefuturestudy． KeyWords：Fil)erReinforcedPolymer(Fl强)：AutoclavedLightweightConcrete(ALC)；SandwichStructure 的，目前利用多孔轻质材料结构已成为防爆研 结构物面临冲击和爆炸问越来越突出。常见 冲击现象包括：重物坠落撞击建筑物、冰雹撞击屋 面板、地震引起结构物倒塌冲击邻近建筑物等低速 冲击；常规武器弹头爆炸后的弹片和炸后建筑物碎 片对邻近建筑的撞击以及沙尘暴、龙卷风、飓风等 引起的飞行物碎片对建筑物撞击等的高速冲击；以 及恐怖袭击和煤气泄漏等事故性引发的爆炸问题 也越来越突出。有必要进一步开发具有综合性能优 异的新材料和新结构，本文提出一种FRP、轻质加 气砼ALC等复合后的FRP-ALC新型夹层结构，并 对其抗弯性能进行了研究，为以后系统研究其抗冲 击和抗爆炸性能研究打下基础。 1新型FRP-ALC夹层结构的提出 1．1现有提高结构抗冲击和抗爆炸性能的方法【11一[61 单纯依靠增加结构尺寸提高防灾能力不是最好 126 究热点，最典型的是夹层结构。夹层结构一般是由 上面板、芯材、下面板构成。面板材料要求有好的 刚度和强度，常见的有FRP、铝材、钢材、混凝土 等。芯材主要由轻质柔软材料组成，主要有三大类： 软木(如巴萨木)、蜂窝材料(如蜂窝铝)、泡沫 塑料(如聚氯乙烯PVC、聚氨酯PUR)。典型的夹 层结构有：全封闭钢一砼．钢夹层结构、铝面板．铝蜂 窝夹层结构、碳纤维面板．铝蜂窝夹层结构、玻璃钢 面板．玻璃钢蜂窝夹层结构、钢板一泡沫复合夹层结 构、砼．泡沫一砼夹层结构、FRP．泡沫夹层结构等。 现有夹层结构有其优点和适用范围，但也存在一些 不足，主要包括：(1)价格高，如用蜂窝铝希1PUR 等作为夹心材料的， 基金项日：青海省科技厅重点项目(2005G155)：江苏省自然科学摹 金项H(BIC2006554)；教育部留学回国人员启动荩金项目． 第一作者：吴刚男1976年8月出生博．上，副教授。 工业建筑2007年增刊 价格赢Ⅲ础』+失腻站蜘从航誓等领域转向i6木颂 域们戍川发艘， (2)过m，t要是川钢板域朴作 为蛳扳材料的： (3j耕结性能小理想，如蜂窝锅 f{=为必心材料pt"o丽扳的丰占结衙秘柏雕：(4)耐 腐蚀性能小斯，蚰蜊钿扳作为咖板的结构，田为很 多结构足强K_I[Ij州i5}rr中的。 12纤堆聚合物．轻质加气砼(FRP+AI。c)夹层结构 的捉女171一㈣ 理想夹层§’，构麻具备轻质．高强、价格低、耐 久性盯、抗冲。}_用l抗雠炸性能蚶以致物理性能理想 等优点，基丁以I．H柏谛l对现有材料的．提⋯ 丁纤维聚行物一轻质加气补(FRP，．ALC)央层结构。 f1)理想的史心材料．ALC 选用岛』-蘸嚣轻质加。L洮凝{(Autoclaved LightweightAeratedConcrete，简称轻质加。L恺凝r ALc}份为芯材．优点订：①是种轻质高强材料， 密度500k—Irl3，仪为{}通朴1／4，jh缩强度人约3一一 7MPa，比现仉西柑特州足泡诛避科烈艘蛩高得多； ②抗罐_}1=利冲，"t能理想，因为它避一种多孔材 料：@ALCn订保褊性能好、黼爵效粜理想、m火、 绝热、q=J：竟度蚶、’L候适应性强、防虫鲁、耐久、 甄材牝采测rJ泛，已经能I业化_产4}多种优点。 Jf虻，ALC芷忖Ⅳ适台川作臾层}^构芯村，封打钮 成为旃4k类的芯材。 {2)缘C；牲强啦并f／gHFRP-ALC典甚结粕 提出I]‘JFRP．AtC堤联结构般IhFRPI‘而板、 科结堪、．岱利、FRPl、向板等鞫成，“以F特点： ⋯轻，Hl的挪越轻质材料：②蜀、台力学性能优片； @抗冲．}，嗣I抗爆炸眺能蚶，多4L!'#JALC，0、村jfJlFRP (IIJ选川制dJ'FRPj保【j￡r理想帕耗能能力；矗)FRP 1』A￡c以＆树胼{}1辑眭^Iii{根蚶，敞兜fz；结鞫并·^’，性 能理_}[1，权体胜灯；@i玎＆计性强，给设计人弛提 。，泛政变参数以优化措怕、的可能_IJ}!：@突⋯的 物删陛能，融斤效果好、防火，鲍热、环境发女r、 ’￡候遥廊肚强、耐久锋：⑦弛特的1-‘并功能，[：5=r 能晓女r啦收冲．}一波外，还能银好地吸收锚然波．可 U曲，1。j}仙浆f群Ⅵ|得塑腑川：⑨价格骶，ALC的 价格比现宵臻它芯；{=；fffJ价格都要低褂多：⑨砸材料 厦夹层站午勾部能|i,Ik化_r。 -q址，蜷种新‘p史J：铺；栅艇，；j』泛府』ltj野-1盘 筑城、人断j程羽l[_防If‘#，Z可心“¨桥粜l样 I、lk与K川建筑4{领域。 辅掣纤维增强复fi割料辑顼⋯7L碾凝p¨mpAIC，盘屡拈杜j 127 2 ALC,FRP夹芯扳抗弯性能试验 21试验万秉 』t进{rf6个试件，AI。C扳艮度1720mm，宽 眨300mm，悖度10mm，试验方突如|、，板l：谍板， 扳2({CFRP)：受拉陋l层碳纤维增强艇台材料 (CFRP)；极3(]BFRPj：受挣ji1联虫武岩纤 维增强复自材利(BFRP)扳4(2BFRP+2BFRP)： 受托车H受肌随均咐2瑶BFRP增恤；板5(3BFRP)： 鋈麟 la)ALC板 fb)We-ALCRK扳 HlFRPmm!J口E∞^【(强m§ 3脏BFRP增强；扳6f2BFRP}砂浆)：受拉巨2崖 BFRP，受Jh江2mnm脬砂浆增姓。以}：史联结构均 川于I方式复台，复合胁衍的ALC扳¨蚓1所圻。 2．2材料的力学参数 幺武鞘l}维fBFRP，1}|【磷纤维(CFRP)力学性 能指枷、见丧1,ql袭2，AIC扳i，耍投水，#耗．"嵌3， 袭IBFRP物理力学性琏指标 暖。膝{慧懈“陬_ } }——一——{—一一卜一————P—～～_一——一61 263845 I6439 0448293 2092 f 衰2CFRP物理力学眭能指标 ∞”mJH *"m《 fm井) (MPaj l 67 轰3 ALC扳王要技术指标 mq《＆ **《mnnj*＆ fkpmlj tW帅*jfMPaJ 23试验加载万案和测置布置 ¨ f I " ●11。11。。。。1。。。。。1。。。。。1。。。。。。。。。。。。。。。。。。●。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。_。。。。。。。。。‘。。‘‘●‘。‘’_‘’V_●1’，^‘。’一 I。．。．．．．。．．．。．。。．．．。．．。．，．．．．。，．，．．．．，，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一■ -1 ■ w fr1 0II ． ，n _“ ㈨ T』‘ N3n』#目H 本试验采抖j二分点加载方法在南京旭建新型 建筑材料有限公司新型微机控制弯辑凡三力试验机 }一完J墁．加载速率为lOOmm／min。加载前，在微 机}．没管斌样的名称、编号、试忭的凡寸、配筋情 况、以及加载速率等。试验结求后微机可商接打[1j U{ALC板抗弯性能试验记录。该‘t录中包括_}}}先 醴谶的些数据咀及衙载．挠度曲线(跨中挠度)。 硅扳的受艇俐距极端边缘lOOmm处分制布蹦 【b洲何移Wl，W2，蹙托侧审肖l“测位移引W3， W4，W5，射pW5伸j’板底跨中．仲移计∞磅：数 I一川j悭拉』℃数谢秉臻仪IDS一303讨：{【5，返uE数f甜‘r H；{_||新删雎，Jbt验机I￡数榭比较。 24试验结襞厦分析 ⋯轩扳破坏特锥 时j’锞扳．以．荷载1、A的怙况I、．扳底Ⅲ弯矩 ∞”川H¨现旺“裂缝，随着荷戡r『J增加，初始tIl'f ． -j璺渐州LJ发腱，裂缝}、宽l。细。破H、村载 ，●26KS)羽㈦舰裂缝的俯段f‘{77KN，}K缓近， 嘏埘突然，』L倒扼陛陆质，如】捌4f，tj所永。 JqFRP加㈣J-i再_I=曩的艘坏特自!：苹术；}}{似。筇 祭裂缝m驯^扳戚州跨e!r附近，力侵阳‘圳“裂缝 r山j受{t翎筋的作¨】，裂缝键鹰比较小)，随霜 髓城的增加，此弯曲裂缝逐渐l柚!一延仲．(宽度仍 然fk'd、j，J、约延川j到I{，挪时．后此裂缝洲加披点 科¨段胜，驰荷斜裂缝的不断毁艘，“剪跨fi弯药 裂缝世I'RP汗婚⋯脱剁离厅小断向¨柑端__}l：延伸。 ，。然之叫’Mft伽从≈则勰翘缝腹州撕"．破珥极填 突然爿佧订较人的响，。．所nL代竹’T维和的剥高均 发牛矗：树H}汜!凝{的蚪珊lt，剥离衍，’f维俯L 漪计较多澎凝{剿一粒，如j划^¨，)所，H。 一(2)试验结采由表4町以塔出，FRP增强后AtC扳的初裂菏 载和破坏荷载部订丁报凡幅度的提高。Ⅲ一层BFRP 增强历的承载力提高144％，川瑶CFRP增强厉的 承载力提高166％。由丁CFRP的抗拉强度币I弹性模 量比8FRP的人，故粘船。’层CFRP比粘贴⋯层BFRP 的扳承载力瑶离，但差别不是特别明显，主要是嗣 为最后的粘结破坏使这种若别没宵被体现出来。 对丁桔贴NzRP的板，随蒋粘贴层数的增加， 其抗弯承簸力也彳『不旧幅度的提高，{n抗弯承载力 的增K井谁’oBFRP的J}{鼙戚jJ：比，粘贴二-层BFRP 的板的承拽力人约是猫|《Ilt崖BI：R]，的板承载力的 1 33倍。t，f弛，{_I}_妣』：：数较人时阶RP和的利川榉 度比粘贴联数较小时们所r降。1i要原Ⅷ是构引段 生剥离破崩、，纤维佑强艘没7j得剖充分发拌。 粘贴3鹱l洲伊的极，受压f舸涂壕砂浆比币 凉砂浆的抗弯承载力婴凡。浦者化厉者^403％。 表4试验结果 轩L式制的曲拔，蹿一|一挠嫂曲线吲纠5所小一{㈣ 址 FRP1目灶‘I¨AIc的，R城力；{_t|能≮；‘啦收fl＆J』 业甜丝20070墩州 得到大大提高，即使是一层玄武岩纤维增强的夹层 板，承载力和能量吸收提高幅度也极为明显。 kN 10 8 荷8 载 4 2 O lO 20 跨中挠度 图5荷载．跨中挠度曲线 由荷载一跨中挠度可以看出，加载初期，各板 的荷载与跨中挠度呈线性关系，此时加固材料还未 发挥明显作用。随着荷载的增加，拉应力区混凝土 开裂后，裸板的挠度急剧增长，而加固板的挠度增 长缓慢。由此可见，加|占l材料的使用可以明显提高 构件的抗弯刚度。对于粘贴BFRP的板，随着粘贴 层数的增加，其抗弯承载力也有不同幅度的提高， 但抗弯承载力的增长并非与BFRP的用量成正比， 粘贴层数较大时BFRP布的利用程度比粘贴层数较 小时有所下降。对于受拉侧粘贴3层BFRP的极， 在受压面涂一层砂浆比不涂砂浆的抗弯承载力要 大，但变形能力比较差。磕其他条件都相同的情况 下，粘贴BFRP加I吲比用CFRP加固变形能力要好，一 但后者抗弯刚度较前者稍人些。原因是BFRP的断 裂伸长率比CFRP的断裂伸长率比人，而后者的弹 性模量更大些。 相对于裸板，各加固板的抗弯刚度的提高是显 而易见的。由T-FRP本身是一种线弹性材料，因此 其荷载．跨中挠度曲线不会有一个明显的屈服平台， 用传统的延性指标不能科学地反映FRP加固板的 性能。由图可以看出，用l层BFRP及3层BFRP 加固的板，曲线尽管没有屈服平台，但它们也具有 较大的变形能力，所以也能吸收大量能量。 3若干问题的讨论与思考 (1)夹层结构抗冲击和抗爆炸性能主要与芯 材和面板有关。ALC是多孔材料，吸收冲击波和冲 击能量的能力强。另外，夹层结构中多相、多层次 材料(纤维、树脂、ALc)以及它们之间的各界面 在冲击和爆炸荷载作用下会通过内部应力、摩擦、 断裂、塑性变形等来耗散能量。综上，FRP-ALC这 种夹层结构将具有很好的抗冲击和抗爆炸性能。 (2)试验知，FI心-ALC夹层结构极限阶段FRP 应变3500IS￡左右，且发生的是粘结破坏，限制了 FRP作用的发挥和结构性能的进一步提高，但要注 意的是本文的试验只是试探性试验，应用FRP-ALC 夹层结构时主要是应用其抗冲击和抗爆炸性能好 的优点，而显然动态荷载作用下，应变率效应会提 高纤维强度利用率，效果也会更理想。 (3)若选用混杂FRP(供选的纤维弹模范围 60GPa卅0GPa，极限应变范围4000la￡"--'35000 Il￡)。混杂纤维复合材料中存在多次断裂效应引 起的断裂伸长混杂效应，即单一纤维断裂过程是瞬 时的，而混杂纤维断裂时间明显增长，故耗能会更 好，特别在冲击爆炸荷载作用时此效应更明显； (4)本文探索性试验结果表明，FRP增强后 的FRP-ALC夹层结构承载力和能量吸收能力得到 了大大提高。夹层结构用的玄武岩和碳纤维布厚度 只有0．1lmm左右，且是用手工方法制作的夹层结 构，可以预见，若面板和芯材厚度加大，并采用 VARTM后，制作的HFRP．ALC夹层结构的力 学性能特别是抗冲击和抗爆炸性能会非常理想。 4结语 针对现有传统夹层结构存在的缺点，本文提出 一种FRP、轻质加气砼ALC等复合后的FRP-ALC 新型夹层结构，并对其抗弯性能进行了研究，结果 表明，FRP增强后的FRP-ALC结构抗弯承载力最 大可以提高365％，同时，各种机理和理论分析也 表明，FRP．ALC夹层结构具有很好的抗冲击和抗爆 炸性能，迸一步系统研究与开发后，有望能在军工 和民用领域均得到广泛应用。 参考文献 {1J曹明法等，船用玻璃钢／复合材料夹层结构巾的泡沫芯材r纭荔嬲 麒2004(2}：3-19。 【2】张湘冀等，全封闭钢一砼．钢夹层扳抗爆性能数值分析，刀肼罄筑≯[；f 学砑究．2004(41：17-19。 13l任志刚等，聚氨酯泡沫复合夹层扳抗爆特性分析，向饼力笋学撼 2003，31f1)：6一10。 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吴刚,孙泽阳,冯武强(东南人学城市工程科学国际研究中心 南京 210096)， 吴智深(东南人学城市工程科学 国际研究中心 南京 210096 日本茨城大学工学部 日立市 316-8511)， 孙维理(南京旭建新型建筑材料有限 公司 南京 210003)， 田野(北京特希达技术研发有限公司 北京 100011) 相似文献(0条) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6462489.aspx 下载时间：2010年1月13日