專利名稱：土木工程用層內(nèi)混雜纖維布及多層混雜纖維布的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種纖維布，尤其涉及一種土木工程中用于結(jié)構(gòu)加固的纖維布。
背景技術(shù)：
目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic，簡(jiǎn)稱FRP)加固結(jié)構(gòu)技術(shù) 已成為國(guó)內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)加固的一種常用技術(shù)。但無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外所有的研究應(yīng)用 都是單一纖維材料加固，包括碳纖維(Carbon Fiber，簡(jiǎn)稱CF)、玻璃纖維(Glass Fiber，簡(jiǎn) 稱GF)、芳綸纖維(Kevlar Fiber，簡(jiǎn)稱KF)和玄武巖纖維(Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱BF)等，而 且絕大部分為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固，其他幾種纖維應(yīng)用較少。然而，單一纖維 材料的優(yōu)缺點(diǎn)往往都非常突出，例如CF的彈模和強(qiáng)度高，而斷裂延伸率低，且主要依靠進(jìn) 口價(jià)格昂貴；相反，GF雖然彈模和強(qiáng)度較低，但其斷裂延伸率高，而且價(jià)格便宜(僅為CF的 1/9 1/3)。另外，F(xiàn)RP中不可避免地存在著纖維斷裂、缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，在FRP受拉時(shí)這 些受力大的薄弱纖維先斷裂，纖維受力情況產(chǎn)生重新分配，隨之又有一些受力大而薄弱的 纖維陸續(xù)斷裂，直至纖維束全部斷裂。由于單一纖維材料物理性質(zhì)相同，單一 FRP的裂紋容 易立即向周邊發(fā)展，迅速導(dǎo)致相鄰纖維逐個(gè)斷裂，容易發(fā)生整體瞬間破壞，所以其性能發(fā)揮 率很低。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究表明，通過CFRP加固混凝土圓柱，測(cè)得CFRP的平均斷裂應(yīng)變只能 達(dá)到0. 5%左右，即纖維延伸率僅發(fā)揮1/3，而加固抗彎構(gòu)件測(cè)得CFRP的平均斷裂應(yīng)變也僅 達(dá)到左右，由此可見CFRP的性能發(fā)揮率很低，再加上CFRP價(jià)格昂貴，采用單一 CFRP加 固會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。另外，碳纖維高強(qiáng)度和高彈模但斷裂延伸率太低的特性容易導(dǎo) 致被加固構(gòu)件延性大大降低，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的研究證明不同性質(zhì)的纖維之間進(jìn)行混雜后能產(chǎn)生混雜效 應(yīng)，它可讓不同纖維之間揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短。以GF和CF混雜為例GF與CF的混雜比為2的混雜纖 維復(fù)合材料(HFRP)的斷裂應(yīng)變比CFRP高30 50%，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)的模量 一般較低，但如引入50%的碳纖維作為表層，復(fù)合成夾芯形式，其模量可達(dá)到CFRP的90%; 單一 GFRP的疲勞壽命為非線性遞減，如引入50%的碳纖維，其疲勞壽命將轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性遞 減，其循環(huán)應(yīng)力也有較大的提高；引入碳纖維的量為2/3時(shí)，其壽命接近單一 CFRP ；GFRP雖 屬電絕緣材料，但它有產(chǎn)生靜電而帶電的性質(zhì)，碳纖維是導(dǎo)電、非磁性材料，用兩種纖維混 雜具有除電及防止帶電的作用。由此可見，把兩種以上的材料制成復(fù)合材料可以克服單一 材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)單一材料的性能，并通過各組分的匹配協(xié)同作用，還可以出現(xiàn)原來單一材 料所沒有的新性能，達(dá)到材料的綜合利用，以提高經(jīng)濟(jì)效益。如圖1所示HFRP能產(chǎn)生單一 FRP沒有的多次斷裂性能。但是，目前應(yīng)用在土木工程中用于結(jié)構(gòu)加固的混雜纖維布都是“層間混雜”，即混 雜纖維布包括至少兩層纖維，每層的層內(nèi)均是一種現(xiàn)有類型的纖維布，層與層之間分別屬 于不同性質(zhì)的纖維，層與層之間通過含浸樹脂相連接，這種層間混雜的纖維布雖然能夠利 用不同性質(zhì)的纖維的特性，但是不同性質(zhì)的纖維之間的配比不易調(diào)整，因此其整體物理性 質(zhì)的調(diào)整不夠豐富，不能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；而且，層與層之間的性質(zhì)相差較大，這種結(jié)合方式對(duì)纖維布整體的性能均勻性有不良影響，這種層間混雜至少需要三層纖維才能達(dá)到受 力對(duì)稱均勻的效果，但在混凝土結(jié)構(gòu)加固中一層和兩層FRP加固的情況較多，因此現(xiàn)有的 層間混雜往往只能采用一層碳纖維加一層玻璃纖維的形式，而且兩層不同材質(zhì)的纖維布粘 貼時(shí)還需要各自搭接，除了浪費(fèi)材料以外還會(huì)影響粘貼加固效果，因此纖維布混雜性能并 不能充分發(fā)揮出來；另外，這種層間混雜的纖維布層數(shù)多，浪費(fèi)材料，其成本高，使用不經(jīng) 濟(jì)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在保證被加固 構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度的前提下，能有效地提高纖維效率和被加固構(gòu)件的延性，并能夠顯著降 低造價(jià)和使用成本的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布。另外，本實(shí)用新型還提供一種包括上述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布的多層混雜纖 維布。本實(shí)用新型的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的土 木工程用層內(nèi)混雜纖維布包括高延伸率的纖維、高強(qiáng)度和高彈模的纖維、連接線，所述高強(qiáng) 度和高彈模的纖維與所述高延伸率的纖維通過所述連接線混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布， 所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸率的纖維沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線沿寬 度方向設(shè)置。所述高延伸率的纖維采用E玻璃纖維或S玻璃纖維或玄武巖纖維或芳綸纖維。所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維采用碳纖維。所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸率的纖維之間的混雜比例為2 1 1 3。本實(shí)用新型的土木工程用多層混雜纖維布所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的土 木工程用多層混雜纖維布包括至少兩層土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，各層所述土木工程用 層內(nèi)混雜纖維布之間為層間混雜，所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布包括高延伸率的纖維、 高強(qiáng)度和高彈模的纖維、連接線，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸率的纖維通過 所述連接線混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸率的 纖維沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線沿寬度方向設(shè)置。所述高延伸率的纖維采用E玻璃纖維或S玻璃纖維或玄武巖纖維或芳綸纖維。所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維采用碳纖維。所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸率的纖維之間的混雜比例為2 1 1 3。各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例相同；進(jìn)一步，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間為疊層混雜或錯(cuò)層混雜?；蛘?，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例不同。本實(shí)用新型的有益效果是由于本實(shí)用新型的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布包括高 延伸率的纖維、高強(qiáng)度和高彈模的纖維、連接線，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所述高延伸 率的纖維通過所述連接線混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維與所 述高延伸率的纖維沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線沿寬度方向設(shè)置，本實(shí)用新型采用層內(nèi)混雜纖維布加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，將高延伸率(斷裂延伸率高)且價(jià)格低的纖維(如玻璃 纖維或玄武巖纖維)與高強(qiáng)度和高彈模的纖維(如碳纖維)混編在一層內(nèi)成為混雜纖維 布，從而達(dá)到在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的前提下有效提高纖維性能發(fā)揮率和被加固構(gòu)件延 性，能顯著降低造價(jià)，且合理靈活，方便施工，是適用于土木工程加固的物美價(jià)廉的纖維布； 本實(shí)用新型可根據(jù)混雜目標(biāo)和纖維束性能(厚度、與結(jié)構(gòu)膠浸潤(rùn)性和適配性、力學(xué)性能)選 擇纖維，然后進(jìn)行混雜配比以及排列設(shè)計(jì)；混雜后的HFRP中的CF發(fā)揮效率得到顯著提高， 而當(dāng)混雜比例適當(dāng)時(shí)能產(chǎn)生多次斷裂這一單一 FRP沒有的特性，而且混雜后的HFRP比單一 FRP的性價(jià)比更高，更能合理靈活地滿足各種要求，故本實(shí)用新型在保證被加固構(gòu)件的剛度 和強(qiáng)度的前提下，能有效地提高纖維效率和被加固構(gòu)件的延性，并能夠顯著降低造價(jià)和使 用成本。

圖1是各種FRP的應(yīng)力一應(yīng)變(ο _ O曲線關(guān)系示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一的纖維在層內(nèi)混雜排列和匹配的正面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示P-P的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例二的纖維在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例三的纖維在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例四的纖維在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例五采用多層纖維并在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu) 示意圖；圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例六采用多層纖維并在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu) 示意圖；圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例七采用多層纖維并在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu) 示意圖；圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例八采用多層纖維并在層內(nèi)混雜排列和匹配的斷面結(jié)構(gòu) 示意圖；圖11是各種HFRP采用相同混雜比例及相應(yīng)單一 FRP的應(yīng)力一應(yīng)變(σ - ε )曲線 關(guān)系示意圖；圖12是一種HFRP采用不同混雜比例及相應(yīng)單一 FRP的應(yīng)力一應(yīng)變(σ - ε )曲線 關(guān)系示意圖；圖13是根據(jù)圖12整理簡(jiǎn)化的應(yīng)力一應(yīng)變(σ _ O曲線關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布包括高延伸率的纖維1、高強(qiáng)度和高彈 模的纖維2、連接線3，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1通過所述連 接線3混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖 維1沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線3沿寬度方向設(shè)置，所述連接線3在寬度方向可以與 所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2及所述高延伸率的纖維1垂直相交設(shè)置，也可以采用斜交設(shè) 置。相應(yīng)有如下四個(gè)方面[0033](1)性能要求為保證被加固構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度，首先選擇碳纖維作為所述高強(qiáng) 度和高彈模的纖維2 ；為了提高CFRP的斷裂伸長(zhǎng)率從而提高被加固構(gòu)件的延性，則應(yīng)采用 高延伸率的纖維1，其斷裂伸長(zhǎng)率應(yīng)比碳纖維高50 200%，可選用E玻璃纖維(EGF)或S 玻璃纖維(SGF)或玄武巖纖維(BF)或芳綸纖維(KF)；另外為了提高混雜效應(yīng)，所述高強(qiáng)度 和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1的性能差別越大越好，有利于保證在部分所述 高強(qiáng)度和高彈模的纖維2 (CF)斷裂后，所述高延伸率的纖維1仍能有效承載，最終提高FRP 的斷裂延伸率和延性，甚至能達(dá)到多次斷裂效果。(2)價(jià)格要求由于目前絕大部分實(shí)際加固工程采用的CF仍需依靠進(jìn)口，而且以 石油為原材料，不僅價(jià)格很高，而且受較大的約束；相反，國(guó)產(chǎn)GF已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，而 且以石英砂為原料，不僅價(jià)格低廉(僅為CF的1/9 1/3)，而且環(huán)保節(jié)能，BF也有一定的 價(jià)格優(yōu)勢(shì)(約為CF的1/4)，相對(duì)而言，其余纖維價(jià)格與碳纖維差別優(yōu)勢(shì)不算明顯。所以，選 用EGF或SGF或BF與CF進(jìn)行混雜符合低成本的要求，且能符合“低碳經(jīng)濟(jì)”和“節(jié)能減排” 國(guó)策。(3)層內(nèi)混雜及其匹配混雜可采取層內(nèi)和層間兩種方式，相對(duì)而言層內(nèi)的分散 度較高，相應(yīng)能達(dá)到更明顯的混雜效應(yīng)，效果更好。所以，本實(shí)用新型采用層內(nèi)混雜模式，將 兩種單向纖維沿著長(zhǎng)度方向平行編織成層內(nèi)混雜單向纖維布。根據(jù)不同的加固需要(強(qiáng) 度、剛度以及價(jià)格等方面)進(jìn)行選材，并按不同的材料、不同的混雜比例和不同的排列方式 進(jìn)行混雜編織。(4)層內(nèi)混雜纖維布施工性能由于層間混雜最少需要兩層纖維進(jìn)行混雜，至少 三層才能達(dá)到對(duì)稱均勻效果，但混凝土結(jié)構(gòu)加固中一層和兩層FRP加固的情況較多。所以 采用層間混雜只能是一層碳纖維加一層玻璃纖維的形式，另外兩層不同材質(zhì)的纖維布粘貼 時(shí)還需要各自搭接，除了浪費(fèi)材料以外還會(huì)影響粘貼加固效果。所以，將纖維絲編制成層內(nèi) 混雜纖維布，一層纖維布即可實(shí)現(xiàn)混雜的效果，整體剛度和強(qiáng)度更為均勻，增加了設(shè)計(jì)自由 度，而且工人施工能減少搭接，大大提高施工可行性、效率和效果。以下是試驗(yàn)的內(nèi)容一、試驗(yàn)材料所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2選用常用的一級(jí)PAN系高強(qiáng)度碳纖維(C)，所述高延 伸率的纖維1中玻璃纖維分別采用E性玻璃纖維和S性玻璃纖維，玄武巖纖維采用相對(duì)較 為便宜的13 μ m絲制造而成的玄武巖纖維。這些單一纖維均是單向連續(xù)纖維束，并以之編 織成單向單一纖維布或不同比例和組合的層內(nèi)混雜纖維布。膠采用常用纖維結(jié)構(gòu)膠即可。上述材料性能列表如下表1 單一纖維材料性能表 上述高延性纖維布是根據(jù)目前規(guī)范要求以及市場(chǎng)情況，主要以高延性和低價(jià)格為 指標(biāo)，對(duì)比選擇選用不同材料，以達(dá)到物美價(jià)廉的效果。二、層內(nèi)混雜纖維布的選材、匹配和編制混雜結(jié)構(gòu)中，制造工藝的因素不容忽視。對(duì)于一個(gè)面內(nèi)混雜的織物產(chǎn)品，不同種纖 維之間是否具有工藝匹配性以及如何進(jìn)行均勻的分布就是需要重點(diǎn)考慮的問題。無論是 高強(qiáng)度和高彈模的纖維2以及高延伸率的纖維1，都會(huì)有很多可供選擇的規(guī)格品種，包括不 同的線密度、不同的浸潤(rùn)劑種類和含量，不能夠合理選擇相匹配的纖維規(guī)格，就會(huì)嚴(yán)重影響 混雜織物與樹脂基體的復(fù)合，從而影響混雜效應(yīng)的發(fā)揮；此外，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)好的纖維混雜 比，其中各種纖維的排布也是會(huì)有多種可能的工藝實(shí)現(xiàn)方式，不同的方式對(duì)于最終的混雜 效應(yīng)會(huì)有一定的影響。將兩種不同的纖維編織在相同一層內(nèi)，除了考慮兩種纖維的力學(xué)性 能差之外，必須考慮混雜纖維布成型效果。成型效果包括厚度、密度、順直度和吸膠性能等。(1)編織工藝要求原單一纖維材料應(yīng)選擇一些成熟產(chǎn)品，相應(yīng)單一纖維布的編 織性能好，成型效果好，與環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠的浸潤(rùn)性和適配性都很好，以此保證編織后的層 內(nèi)混雜纖維布的工藝性。然后，選擇等級(jí)(厚度)相近的兩種纖維，即200g/m2CF(0. Illmm 厚)配 200g/m2GF 或 BF (0. 118mm 厚)，300g/m2CF (0. 167mm 厚)配 300g/m2GF 或 BF (0. 174mm 厚)，能保證并排混編在一層厚度均勻，平直順滑，否則容易存在高低不平或疊層空隙缺陷 等問題。實(shí)踐證明，只需對(duì)現(xiàn)有單向編織工藝稍微調(diào)整即能編織出各種的層內(nèi)混雜纖維布， 其工藝效果良好。(2)層內(nèi)混雜方式與比例根據(jù)混雜纖維的原理，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維 2(碳纖維)比例越高，混雜纖維布的強(qiáng)度和彈模越大，但延性越低，價(jià)格越高；而便宜的所 述高延伸率的纖維1比例越高則相反。根據(jù)使用要求、纖維性能以及價(jià)格等多方面因素等 進(jìn)行層內(nèi)混雜比設(shè)計(jì)與編排，由于本實(shí)用新型的研制目標(biāo)是提高CFRP的延性和降低材料 成本，并希望能取得多次斷裂的混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸 率的纖維1之間的混雜比例主要有以下四種2 1或1 1或1 2或1 3。(3)層間鋪層混雜方式層內(nèi)混雜纖維布除了可以在每層內(nèi)有不同比例和編排之 外，多層疊合時(shí)更有不同的組合，不同組合的特性有一定的區(qū)別。從混雜纖維斷裂破壞角度 分析，要提高碳纖維的斷裂伸長(zhǎng)率就應(yīng)提高碳纖維在混雜纖維中的分散度，增加CF與GF的 接觸界面，盡量提高GF對(duì)CF出現(xiàn)初始斷裂后的裂縫或缺陷約束。如圖7、圖8所示，反映 了相同的層內(nèi)混雜纖維布通過錯(cuò)位鋪設(shè)來實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)，可有效提高分散性提高混雜效 應(yīng)；如圖9、圖10所示，反映了采用不同比例的層內(nèi)纖維布進(jìn)行層間混雜，可實(shí)現(xiàn)多種配比
7和結(jié)構(gòu)形式。所以，可以采用多種不同比例的層內(nèi)混雜纖維布進(jìn)行層間混雜，其性能更為多 樣，設(shè)計(jì)可根據(jù)使用要求進(jìn)行不同的搭配，材料設(shè)計(jì)概念突出，混雜效果更為明顯。三、FRP性能測(cè)試結(jié)果為了得到不同纖維、不同混雜配比和方式編織而成的混雜纖維布的拉伸性能和性 價(jià)比，研究混雜效應(yīng)和原理，進(jìn)行FRP拉伸性能對(duì)比試驗(yàn)。按表2中的材料類型制作出幾種 不同的FRP，表中C、B、SG和EG分別代表各自的單一 FRP，而IC ISG代表相應(yīng)比例混雜纖 維布制作成的HFRP，其余表示類同。試件均采用4層纖維布，各層之間錯(cuò)位鋪設(shè)以提高分散 性和均勻性。按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作試件，每種FRP5個(gè)試件。表2 不同纖維材料及混雜性能表 待試件達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分如下兩種情況進(jìn)行研究(1)不同材料、相同比例混雜比較三種不同高延性纖維與碳纖維以1 1比例進(jìn)行層內(nèi)混雜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié) 果如表2和圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，單一 FRP與HFRP的斷裂過程和形狀有一定區(qū)別 單一 FRP斷裂前基本沒有纖維微觀斷裂的聲音和其他征兆，達(dá)到最大荷載時(shí)突然斷裂，并 發(fā)出“嘣”的巨響，而混雜HFRP則在接近最大荷載80%左右聽到“噼啪”的微觀纖維斷裂 聲，試件表面出現(xiàn)泛白，但沒有明顯斷裂和荷載下降的現(xiàn)象，達(dá)到最大荷載時(shí)兩種纖維同時(shí)斷裂。由試驗(yàn)現(xiàn)象表明，碳纖維在達(dá)到其極限應(yīng)變時(shí)開始發(fā)生斷裂，但由于有高延性纖維的 分隔和約束，有效避免了局部斷裂瞬間發(fā)展為整體斷裂，使其碳纖維的整體斷裂延伸率在 HFRP內(nèi)得到14% 31%的提高，這證明了高延性纖維與碳纖維混雜能有效地提高了碳纖 維的利用率。另外從圖中可見，混雜纖維的彈性模量在兩種單一纖維之間，碳纖維明顯提高 了高延性纖維的彈性模量，有效保證了混雜纖維具有足夠的強(qiáng)度。(2)相同材料、不同比例混雜比較在對(duì)比試驗(yàn)(1)中，HFRP中的兩種纖維同時(shí)斷裂，這表明了碳纖維斷裂時(shí)，另一種 高延性纖維不能承擔(dān)碳纖維斷裂后的卸載及其沖擊作用而同時(shí)斷裂。為了進(jìn)一步達(dá)到明顯 的混雜效應(yīng)和多次斷裂的效果，采用高強(qiáng)度、高斷裂延伸率和高比例的SGF與CF混雜，分別 以1 1、1 2和1 3進(jìn)行比較，為求在碳纖維斷裂時(shí)，剩余的SGF能承受其卸下的荷載 和沖擊作用。在本實(shí)驗(yàn)中，如圖12所示，IC 2SG與IC 3SG中的碳纖維先局部斷裂，瞬間荷 載發(fā)生突降，高延性纖維不能完全承擔(dān)斷裂碳纖維所卸荷載，但能有效約束碳纖維裂縫繼 續(xù)擴(kuò)散并抵抗其沖擊，然后與剩余的碳纖維繼續(xù)承載，荷載仍可提高，在一個(gè)承載力范圍內(nèi) 經(jīng)過多次斷裂后才最終斷裂。由此可見碳纖維含量小于一定值時(shí)，能發(fā)生多次斷裂的情況。 在保持一定有效承載力的情況下發(fā)生多次斷裂這一特性是單一 FRP所沒有的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，我們將應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系整理簡(jiǎn)化如圖13所示，其中一次斷裂的試 件的極限強(qiáng)度和變形都是最大值，而IC 2SG與IC 3SG經(jīng)第一次斷裂后在卸載至2/3 極限荷載后繼續(xù)承載，基本保持上升態(tài)勢(shì)，后段發(fā)生多級(jí)斷裂。雖然后段在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不予 考慮，但其仍有利于提高加固結(jié)構(gòu)的抗震延性和可靠性，所以從有效強(qiáng)度和有效應(yīng)變角度 考慮，后段仍可視為有效工作階段。上述對(duì)比試驗(yàn)及分析結(jié)果表明(1)單一纖維優(yōu)缺點(diǎn)明顯碳纖維雖然強(qiáng)度和彈模高，但延伸率低價(jià)格高，所以 其性價(jià)比在所有纖維中最低；而高延性纖維，主要因?yàn)槠涞土膬r(jià)格而取得較高的(計(jì) 算)性價(jià)比，但由于其強(qiáng)度和彈模過低，很難滿足實(shí)際要求，特別是BF和EGF，其強(qiáng)度小于 ISOOMPa，很難滿足實(shí)際工程要求，難以推廣應(yīng)用，而SGF有較高的延伸率和強(qiáng)度，性價(jià)比相 對(duì)較為適中，但仍不宜單一使用。(2) HFRP中高延性纖維能有效提高低延性纖維(CF)的斷裂伸長(zhǎng)率，即提高低延性 纖維的效率。當(dāng)兩種纖維的配比達(dá)到一定比例(碳纖維最小體積率)時(shí)，還具備單一 FRP 沒有的多次斷裂特性，如IC 2SG和IC 3SG。(3) HFRP的各種性價(jià)比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一 CFRP，如強(qiáng)度性價(jià)比提高25 55 %，彈模 性價(jià)比提高1 28 %，延性安全度性價(jià)比提高25 93 %，延性性價(jià)比提高11 58 %。對(duì) 于強(qiáng)度和剛度要求較高的重要加固情況，建議使用2C ISG或IC ISG ；對(duì)于一般要求情 況，建議使用IC IEGUC IB或IC ISG ；對(duì)于延性要求較高情況，建議使用IC ISG 或IC 2SG。HFRP比單一 FRP更能合理靈活地滿足各種要求。實(shí)施例一如圖2、圖3所示，本實(shí)施例為土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模 的纖維2與所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例為1 1。實(shí)施例二 [0067]如圖4所示，本實(shí)施例為土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖 維2與所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例為1 2。實(shí)施例三如圖5所示，本實(shí)施例為土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖 維2與所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例為1 3。實(shí)施例四如圖6所示，本實(shí)施例為土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖 維2與所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例為2 1。實(shí)施例五如圖7所示，本實(shí)施例為土木工程用多層混雜纖維布，包括三層土木工程用層內(nèi) 混雜纖維布，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間為層間混雜，所述土木工程用層內(nèi) 混雜纖維布包括高延伸率的纖維1、高強(qiáng)度和高彈模的纖維2、連接線3，所述高強(qiáng)度和高彈 模的纖維2與所述高延伸率的纖維1通過所述連接線3混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所 述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線3 沿寬度方向設(shè)置，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例相同，即所述高強(qiáng)度和 高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例均為1 1，各層所述土木工程用 層內(nèi)混雜纖維布之間為疊層混雜，即不同層的所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間的所述 高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1分別各自上下重疊。當(dāng)然，以上所示土 木工程用多層混雜纖維布也可以只包括兩層土木工程用層內(nèi)混雜纖維布或者更多層。實(shí)施例六如圖8所示，本實(shí)施例與實(shí)施例五的區(qū)別在于本實(shí)施例中，各層所述土木工程用 層內(nèi)混雜纖維布之間為錯(cuò)層混雜，即相鄰層的所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間的所述 高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1分別各自上下錯(cuò)位。本實(shí)施例其余特征 同實(shí)施例五。實(shí)施例七如圖9所示，本實(shí)施例與實(shí)施例五的區(qū)別在于本實(shí)施例中，各層所述土木工程用 層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例不同，最上層與最下層的所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述 高延伸率的纖維1之間的混雜比例均為1 2，中間一層的所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與 所述高延伸率的纖維1之間的混雜比例均為2 1，最上層與最下層的所述高強(qiáng)度和高彈模 的纖維2與所述高延伸率的纖維1之間位置相同，中間一層的所述土木工程用層內(nèi)混雜纖 維布與最上層及最下層之間錯(cuò)位設(shè)置。本實(shí)施例其余特征同實(shí)施例五。實(shí)施例八如圖10所示，本實(shí)施例與實(shí)施例七的區(qū)別在于本實(shí)施例中，最上層與最下層的 所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維2與所述高延伸率的纖維1之間的位置也錯(cuò)開，即三層之間全 部錯(cuò)位設(shè)置。本實(shí)施例其余特征同實(shí)施例七。本實(shí)用新型采用層內(nèi)混雜的方法，用層內(nèi)混雜纖維布加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，將高延 伸率(斷裂延伸率高)且價(jià)格低的纖維(如玻璃纖維或玄武巖纖維)與高強(qiáng)度和高彈模 的纖維(如碳纖維)混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，從而達(dá)到在保證足夠的強(qiáng)度和剛度的 前提下有效提高纖維性能發(fā)揮率和被加固構(gòu)件延性，能顯著降低造價(jià)，且合理靈活，方便施工，是適用于土木工程加固的物美價(jià)廉的纖維布；本實(shí)用新型可根據(jù)混雜目標(biāo)和纖維束性 能(厚度、與結(jié)構(gòu)膠浸潤(rùn)性和適配性、力學(xué)性能)選擇纖維，然后進(jìn)行混雜配比以及排列設(shè) 計(jì)；混雜后的HFRP中的CF發(fā)揮效率得到顯著提高，而當(dāng)混雜比例適當(dāng)時(shí)能產(chǎn)生多次斷裂這 一單一 FRP沒有的特性，而且混雜后的HFRP比單一 FRP的性價(jià)比更高，更能合理靈活地滿 足各種要求，因此本實(shí)用新型在保證被加固構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度的前提下，能有效地提高纖 維效率和被加固構(gòu)件的延性，并能夠顯著降低造價(jià)和使用成本。 本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。
權(quán)利要求一種土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，其特征在于包括高延伸率的纖維(1)、高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)、連接線(3)，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)與所述高延伸率的纖維(1)通過所述連接線(3)混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)與所述高延伸率的纖維(1)沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線(3)沿寬度方向設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，其特征在于所述高延伸率的 纖維(1)采用E玻璃纖維或S玻璃纖維或玄武巖纖維或芳綸纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，其特征在于所述高強(qiáng)度和高 彈模的纖維(2)采用碳纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，其特征在于所述高強(qiáng)度和高 彈模的纖維(2)與所述高延伸率的纖維(1)之間的混雜比例為2 1 1 3。
5.一種土木工程用多層混雜纖維布，其特征在于包括至少兩層權(quán)利要求1 4任意 一項(xiàng)所述的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間為層間 混雜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的土木工程用多層混雜纖維布，其特征在于各層所述土木工 程用層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土木工程用多層混雜纖維布，其特征在于各層所述土木工 程用層內(nèi)混雜纖維布之間為疊層混雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土木工程用多層混雜纖維布，其特征在于各層所述土木工 程用層內(nèi)混雜纖維布之間為錯(cuò)層混雜。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的土木工程用多層混雜纖維布，其特征在于各層所述土木工 程用層內(nèi)混雜纖維布的混雜比例不同。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種在保證被加固構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度的前提下，能有效地提高纖維效率和被加固構(gòu)件的延性，并能夠顯著降低造價(jià)和使用成本的土木工程用層內(nèi)混雜纖維布及多層混雜纖維布。層內(nèi)混雜纖維布包括高延伸率的纖維(1)、高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)、連接線(3)，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)與所述高延伸率的纖維(1)通過所述連接線(3)混編在一層內(nèi)成為混雜纖維布，所述高強(qiáng)度和高彈模的纖維(2)與所述高延伸率的纖維(1)沿長(zhǎng)度方向平行設(shè)置，所述連接線(3)沿寬度方向設(shè)置。多層混雜纖維布包括至少兩層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布，各層所述土木工程用層內(nèi)混雜纖維布之間為層間混雜。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。
文檔編號(hào)D04C1/06GK201634852SQ20102012371
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者楊建中, 熊光晶, 王霓 申請(qǐng)人:楊建中