a、芳纶纤维不导电(碳纤维导电),因此在地铁、工业厂房等结构中使用碳纤维就有很大的局限性甚至禁入性,此外,碳纤维用于混凝土结构补强,务必与钢筋隔离以防电化学腐蚀,而使用芳纶纤维则不受限此限制。
b、碳纤维布的抗剪强度较低,易折断,这使得施工时倒角处理要求较高,倒角半径不小于20mm,而芳纶纤维仅需10mm即可。
c、碳纤维的高弹性模量使其能承受长期静荷载,这是其最为突出的优点,而对于承受动载和局部冲击作用则芳纶纤维更具竞争力。
d、碳纤维在用于限制梁的扰度时同芳纶纤维布相比具有一定优势,但在施工的可操作性方面芳纶纤维无疑是更适合的材料。
e、碳纤维加固后的破坏模式是脆性(结构变形小,碳纤维布的极限延伸率小),没有明显征兆,因而作为结构设计,必须采用较大的安全系数。实验表明,已破坏的素混凝土构件用芳纶纤维布外包补强后,再次加载,其破坏过程依然是塑性的。“五角大楼晚塌35分钟,凯夫拉纤维功不可没”是一个极好的例证。作为延性补强,芳纶纤维材料是理想的材料。
两种纤维材料性能详细比较见表1
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表1 碳纤维和芳纶纤维材料特性比较 |
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抗拉强度(Mpa) |
耐久性 |
防紫外线能力 |
比重 (g/cm3) |
弹性模量 (Gpa) |
延伸率(%) |
破坏特点 |
是否导电 |
施工操作性 |
受力特点 |
碳纤维 |
3000 |
良好 |
良好 |
1.7~1.9 |
200~240 |
1.4 |
脆性 |
导电 |
方便,倒角半径大于20mm |
高弹性模量使其能承受长期的静载荷 |
芳纶纤维 |
2060 |
良好 |
良好 |
1.44 |
125 |
2.4 |
塑性 |
不导电 |
很方便,倒角半径10mm左右 |
抗动载和局部冲击 |
注意:上述两种纤维的强度均为材料本身的强度,而不是纤维布的强度,具体纤维布的强度如下:
1)、碳纤维,0.11mm和0.167mm为常用的两种规格,强度3000MPa、由于碳纤维发生的是脆性破坏,破坏前没有一点征兆,所以考虑的安全储备系数一般为0.5~0.7,即能发挥的强度只有0.6×3000=1800MPa
2)、芳纶纤维,AFS-40和AFS-60为常用的两种规格,厚度分别为0.193mm和0.286mm,强度2060MPa、由于芳纶纤维的韧性特别好,它的安全储备系数一般为0.75—0.95,即它能发挥的强度有:0.85×2060=1751MPa
所以强度的有效值是相当的,但碳纤维加固后的构件破坏形式为脆性破坏,使其比较适合于承受长期静载荷的结构,而芳纶纤维的抗局部冲击能力强(从早期的用于做防弹衣可以看出),因此比较适合于承受动载的构件。
另外,我们知道FRP材料之所以用来加固,主要是在于纤维布浸透树脂后,通过树脂与混凝土间的很好的粘结能力来达到一种协调变形,共同承受载荷。由于芳纶布和树脂同为有机材料,两者之间的结合力很强;而树脂与无机材料碳纤维结合时,渗透能力就不如芳纶好,这样一来碳纤维就只能做的很薄了,而且要使它充分浸透,工期比方论纤维要长很多,也就是相应增加了综合造价。