土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈

2024-02-12 阅读次数:

纺织业在土木建筑行业中存在一个细分市场,即,提供纤维和织物作为传统建筑材料(如木材、混凝土、砖石和钢铁)的潜在替代品星空体育APP。在某些应用中,这是纺织业的主要目标,而在其他情况下,纺织材料则被视为传统的土木建筑材料。

在土木工程中,聚酯(PES)和聚酰胺(PA)是两种常用的合成纤维材料,被用于增强结构的强度、耐久性和抗腐蚀性能,从而提高建筑和基础设施的质量和可靠性。

其中,聚酯是一种合成聚合物,通常由酯基单元组成。它们具有高强度和刚度,耐磨损和耐腐蚀的特性。

在土木工程中,聚酯通常用于制作高性能复合材料,如玻璃纤维增强聚酯(GFRP)和碳纤维增强聚酯(CFRP)。这些材料被广泛应用于建筑结构、桥梁、船舶和风力发电机翼等领域,以提供更高的强度和耐久性。

而聚酰胺也是一种合成聚合物,通常由酰胺基单元组成。它们具有良好的机械性能和热稳定性。星空XK官方入口

在土木工程中,聚酰胺常用于制作纤维增强聚酰胺(FRPA)。这些材料可以用于制造高强度的构件和结构,如桥梁、支撑系统和电力输电线路。

此外,聚酰胺还可以用于土木工程中的耐腐蚀涂层,以提供保护和增强材料的耐久性。

根据设想的应用,聚酯和聚酰胺纤维可以多种形式应用于民用建筑项目。在混凝土内部加固过程中,常常使用微纤维、宏纤维、细纤维和单丝纤维。但是在进行外部加固时,则会采用聚酯和聚酰胺纤维的织物形式。

聚酯和聚酰胺织物不仅被用于混凝土加固,还广泛应用于土工织物和土工格栅。一般来说,混合结构会结合不同类型的织物,并且常常在聚合物或水泥基基质中进行浸渍处理。

聚酯和聚酰胺纤维有多种不同的几何形状和尺寸。单丝纤维是通过拉伸熔融聚合物制成的单根直纤维,通常是圆形截面,用于增强混凝土。

而长丝纤维则是直径在5到15微米之间的纤维,通过同时纺制并捆绑在一起形成纱线,然后切割成短长度以得到微纤维和宏纤维。需注意,细纤维的描述是基于薄膜的厚度,以及每根纤维的宽度。

聚酯和聚酰胺纤维可以采用不同的纤维结构形式,其中土工织物和土工格栅是最常见的。土工织物可以是织造、编织或非织造结构,而土工格栅则是通过常规织造和/或编织工艺制成,并涂有共聚物树脂。

织物是通过纱线在织物上进行交织来制造的。纱线分为两组:经纱线沿着织物的长度方向,纬纱线沿着织物的宽度方向,它们形成一个90°的角度。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈

织物的编织结构由不同的交织图案来实现,其中最简单的形式是平纹。尽管织物提供了良好的稳定性和适当的孔隙度,但其覆盖性能较差,这是因为纤维会卷曲并且具有较低的力学性能。

编织织物以交织的环形结构形成,可以使用经编或纬编技术制造。经编织物由沿纵向引入的单独纱线形成,类似于织物的形成方式。

而纬编织物则是使用一根纱线形成整个循环。编织织物具有灵活性,可以设计成在一个方向上具有稳定性,且同时在其他方向上具有可变形性。

非织造织物通过各种技术制造,提供了广泛的产品范围。非织造织物由未转化为纱线的纤维或长丝的片、网或棉絮组成。

这些纤维通过机械、热或化学方式相互结合。例如,针刺非织造土工织物由纠缠在一起的随机纤维构成复杂的结构,具有良好的排水性能和多种孔隙尺寸。

编织纺织结构通过交织纱线形成,其中菱形结构、常规结构和Hercules结构是三种编织结构类型。

菱形结构是纱线交替地穿过和穿过相反方向的纱线,而常规结构和Hercules结构具有修改后的旋转方式。编织结构可以是双轴的,中心端纱线和轴向纤维的添加分别允许三轴和三轴编织。

然而,虽然编织物具有多方向的适应性,但其在轴向和压缩稳定性方面较弱。也因此,这种结构通常被广泛应用于绳索和海上应用等各个行业。

纤维增强混凝土(FRC)是一种复合材料,由混凝土和随机分散的纤维构成。在施加载荷的过程中,纤维起到桥接裂缝和传递荷载的作用,可有效地防止裂缝扩展和合并。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈(图2)

(图1)

纤维增强材料已经证实能够大幅改善混凝土的性能和耐久性。它们有效地提升了混凝土的韧性、抗折强度、抗剪强度、抗疲劳性和抗冲击性,同时还有效地减少了收缩开裂和渗透性的困扰。

常用的纤维类型包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯酸(PAN)、聚乙烯醇(PVA)、芳纶、碳纤维、聚酰胺(PA)和聚酯(PES)等合成纤维。

就聚酰胺(PA)和聚酯(PES)纤维材料而言,其在纤维增强混凝土中具有较高的强度和刚度,能够有效地提升混凝土的抗拉强度和抗裂性能。

混凝土在受拉载荷下容易开裂,变得脆弱,聚酯纤维作为主要的增强材料,以改善混凝土的力学性能和耐久性为主要目标。其通常以长纤维的形式加入混凝土中,通过桥接裂缝来阻止裂缝扩展,并在混凝土结构中传递荷载。

聚酰胺纤维也在纤维增强混凝土中发挥类似的作用,提高混凝土的韧性和抗拉强度,改善抗裂性能。它则通常是以短纤维的形式加入混凝土中,在混凝土内部形成网状结构,阻止裂缝扩展和连接,提高混凝土的断裂韧性。

多年以来,纤维增强材料在混凝土中的应用不断发展。钢纤维是最早使用的类型,之后聚合物纤维在20世纪70年代末开始商业化,玻璃纤维在80年代广泛应用,碳纤维则在90年代开始引起广泛的关注。

合成纤维如聚乙烯、聚丙烯和聚酯因为高效、经济实惠且易获取而备受青睐,成为石棉、钢纤维和玻璃纤维的替代品。最近的研究进展使得开发高效纤维成为可能,这些纤维在混凝土开裂后表现出更高的韧性和承载能力。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈(图3)

(图2)

为了增强复合材料的强度,需注意其纤维的弹性模量应高于基体。然而,对于弹性模量在15至30 GPa范围的水泥基材料而言,选择具备这一特性的大多数合成纤维是困难的。

大量的理论和应用研究表明,即使是弹性模量较低的纤维,在增强纤维增强混凝土的应变能力、韧性、抗冲击性和裂缝控制方面也能带来显著改善。

此外,纳入小直径合成纤维可以增强基体的抗拉强度,尤其在能够引入较大纤维体积(高达15%)的应用中效果显著。

纤维通常作为薄片元素的主要增强材料在混凝土结构中使用,用以替代传统的钢筋。这些元素通常是预制的,而非现浇的。钢纤维、玻璃纤维和碳纤维一直是最常用的结构增强材料。

通过研发高模量的合成纤维,人们逐渐实现了取代钢纤维或玻璃纤维的可能性。然而,目前合成纤维作为主要增强材料的应用,仍然还是受到高成本的限制。星空体育入口

次要增强材料的作用是控制由固有拉应力引起的裂缝,例如干燥收缩、塑性收缩或温度变化引起的裂缝。

裂缝控制的目标不是消除固有应力引起的裂缝,也不是增加混凝土的承载能力,而是将随机产生的较大裂缝转化为更有序和更紧密的小裂缝。这样便可以降低混凝土的渗透性,提高其耐久性。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈(图4)

图3

聚酰胺(PA),通常被称为尼龙,是一种聚合物,其主链中含有酰胺基团。在商业上,聚酰胺纤维以单丝的形式生产,但与成本更低的聚丙烯相比,这些纤维与水泥基质的结合力较弱,因此限制了它们的应用潜力。

一项研究表明,添加少量聚酰胺纤维显著提高了复合材料的抗冲击性能,但对拉伸或弯曲强度几乎没有影响。这种提升归因于纤维在基体失效后,以及较低载荷下的大应变情况下的拉伸和拔出作用。

与钢纤维增强的混凝土相比,尼龙纤维增强的混凝土的荷载-变形行为表现出更陡峭的下降曲线。

且根据分析的聚酰胺纤维增强混凝土的强度性能,其相对于聚丙烯纤维,聚酰胺纤维在混凝土中的分散能力稍有提高。这种分散有助于在更大的混凝土体积内分布不利应力,从而改善混凝土的塑性和硬化性能。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈

与未加筋的对照混凝土相比,聚酰胺增强混凝土的抗压强度提高了12.4%,而聚丙烯增强混凝土则提高了5.8%。、

由于聚酰胺纤维具有较高的拉伸强度,因此在减少早期塑性收缩裂缝方面表现的更好,即,有助于更好地传递负荷。此外,聚酰胺纤维的强度改善效果超过聚丙烯纤维。

相关研究人员还探索了合成纤维增强混凝土的裂缝后徐变行为,并比较了聚丙烯细丝纤维,以及聚酰胺单丝纤维的性能。根据研究结果发现,聚丙烯和聚酰胺增强混凝土只能承受部分裂缝后的强度。

其中,聚丙烯的最大持续应力仅相当于平均剩余强度的24.9%,而聚酰胺增强混凝土的这个比例为38.3%,且聚酰胺增强混凝土的徐变速率较聚丙烯增强混凝土更快,但持续时间较短。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈(图6)

(图4)

另一方面,聚酯(PE)是一种聚合物,其主链含有-CO-O-基团,不包括醋酸乙烯和甲基丙烯酸甲酯等侧链。通过改变制造技术,可以显著改变聚酯纤维的物理和化学性质。具有较高弹性模量的聚酯纤维可以增强冲击强度。

根据一项研究表明,将1%(体积比)聚酯纤维添加到混凝土中,可以使其冲击强度提高75%,剪切强度提高9%,弯曲强度提高7%,抗压强度提高5%。然而,其弹性模量和剪切强度没有变化,且聚酯纤维通常不耐强碱性。

此外,波特兰水泥混凝土中的聚酯纤维表现出快速强度损失,因此需要对其进行表面处理,以增强波特兰水泥制品的效果。

多项研究调查了各种纤维增强体系的力学性能,其中包括钢筋与玻璃纤维、聚酯和聚丙烯等非金属纤维的混合组合,以及它们对塑性收缩开裂的影响。

与未加筋的对照混凝土相比,钢筋增强混凝土和混合纤维增强混凝土的抗压强度更高。然而,单独使用非金属纤维增强混凝土与对照混凝土相比没有显示出任何强度增加。

钢筋增强混凝土和混合纤维增强混凝土,在抗压强度和弹性模量方面的性能差异并不显著。混合纤维混凝土的剪切强度高于未加筋的对照试件和单纤维增强混凝土。

且与对照混凝土相比,所有纤维增强混凝土的弯曲强度显著增加。钢筋与聚酯纤维的组合产生了最大的弯曲强度,即,所有纤维增强混凝土的弯曲韧性都高于对照混凝土。

普通对照混凝土的裂缝宽度最大,而混合增强混凝土相较于钢筋增强混凝土具有更好的裂缝控制特性。随着添加非金属纤维的数量增加,总裂缝面积减少,其中聚酯和聚丙烯纤维的效果将优于玻璃纤维。

但需要注意的是,增加非金属纤维会降低混凝土的可操作性,因此限制了聚丙烯和聚酯纤维的最大用量。

最后,就聚酯(PES)纤维,在纤维增强混凝土中的应用来讲,其通常被用于工业和仓库地板、人行道、覆盖层和预制产品中。

聚酯微纤维可以提供,比焊接钢丝网更强的抗塑性收缩裂缝形成能力,并在适当设计时增强韧性和提供结构能力。聚酯宏观纤维可作为焊接钢丝网、钢纤维和传统轻钢筋在预制板和喷射混凝土应用中的真正替代品。

单丝聚酯纤维通常被用作二次加固,从而控制塑性收缩、减少分离和渗水、提供三维加固(相对于焊接钢丝网的二维加固)、减少开裂、并增加表面耐久性,以及降低渗透性。

单丝聚酯纤维的主要应用包括普通混凝土(无加固混凝土)、代替焊接钢丝网加固、平板、基础、墙体和容器、混凝土管道、和预应力梁等。

土木建筑中的聚酯与聚酰胺材料小谈

综上所述,聚酯(PES)和聚酰胺(PA)作为合成纤维材料在土木工程中发挥着重要的作用,为建筑和基础设施提供了增强结构强度、耐久性和抗腐蚀性能的解决方案,也为提升建筑结构的质量和可靠性做出了重要贡献。

参考文献:FANGUEIRO, R., PEREIRA, C. G., & DE ARAÚJO, M. (2008). Applications of polyesters and polyamides in civil engineering. Polyesters and Polyamides, 542–592. doi:10.1533/9781845694609.3.542


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