本發(fā)明涉及一種混雜纖維板，可廣泛應(yīng)用于土木工程中的結(jié)構(gòu)加固。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料(carbonfiberreinforcedplastic，簡稱“cfrp”)加固技術(shù)具有輕質(zhì)高強高模量、施工便捷、耐腐蝕等優(yōu)點，無論在民用建筑、工業(yè)建筑還是橋梁的加固工程中都已得到廣泛的應(yīng)用。但有關(guān)試驗研究表明，雖然cfrp加固受彎構(gòu)件的極限承載力有了顯著的提高，但其延性卻沒有獲得同比例的增加。加固改造的結(jié)構(gòu)除了要有較高的承載力以外，還必須有足夠的延性以保證加固改造結(jié)構(gòu)安全性，尤其在需要抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)中更是如此。

cfrp的線彈性材料性質(zhì)和遠低于鋼材的斷裂延伸率是造成cfrp加固受彎構(gòu)件延性較差的主要原因。而提高斷裂延伸率最為簡單且有效的辦法就是通過混雜技術(shù)將碳纖維與一種或多種高延伸率纖維混雜制成混雜纖維復(fù)合材料(hybridfiberreinforcedplastics，簡稱“hfrp”)，使其各組分纖維力學(xué)性能的特點充分發(fā)揮出來，在保證其具有高強高彈模的同時能夠彌補cfrp的不足。但從目前的研發(fā)成果來看，hfrp大多運用于軍工、航天等行業(yè)，而且這些hfrp研發(fā)成果大多屬于行業(yè)機密不對外公開，致使hfrp在工程加固領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用一直未取得重大的突破。因此，研發(fā)能夠提高加固受彎加固構(gòu)件延性的hfrp將具有極大的發(fā)展?jié)摿途薮蟮慕?jīng)濟價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能大幅度提高加固受彎構(gòu)件延性的混雜纖維板。

本發(fā)明所提供的混雜纖維板是由高延伸率纖維、中延伸率纖維和高強低延伸率纖維按一定方式鋪設(shè)經(jīng)樹脂基體浸潤硬化后形成。

本發(fā)明一種混雜纖維板，所述由混雜纖維板高延伸率纖維1、中延伸率纖維2和高強低延伸率纖維3、樹脂基體4構(gòu)成；所述高延伸率纖維1、中延伸率纖維2和高強低延伸率纖維3分布于基體內(nèi)部；所述高延伸率纖維1的延伸率大于等于2.4％，中延伸率纖維2的延伸率為1.9～2.1％，高強低延伸率纖維3的延伸率為1.4～1.6％、且強度大于等于3000mpa。所述分布包括均勻分布和非均勻分布等方式。

本發(fā)明一種混雜纖維板，所述混雜纖維板內(nèi)，纖維的長度方向與混雜纖維板長度方向呈固定的a角；所述a角的取值為0～45°。優(yōu)選為30～45°。進一步優(yōu)選為45°。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，所述混雜纖維板內(nèi)，兩根不同的纖維沿長度方向呈固定的β角；所述β角的取值為0～90°。

作為優(yōu)選方案之一，本發(fā)明一種混雜纖維板，所述混雜纖維板內(nèi)，兩根不同的纖維沿長度方向呈固定的β角；所述β角的度數(shù)＝2a的度數(shù)。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，所述高延伸率纖維選自高強玻璃纖維和/或芳綸纖維；所述高強玻璃纖維的延伸率大于等于2.5％、強度大于等于2200mpa；所述芳綸纖維的延伸率大于等于2.4％、強度大于等于1800mpa；

所述中延伸率纖維為玄武巖纖維；所述玄武巖纖維的延伸率為1.9～2.1％、且強度大于等于2000mpa；

所述高強低延伸率纖維為碳纖維；所述碳纖維的延伸率為1.4～1.6％、且強度大于等于3000mpa。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，沿垂直于所述混雜纖維板厚度方向；將混雜纖維板分成平均厚度的n份，所述n為奇數(shù)且大于等于3；定義最中間的一份為夾芯中心，將所述混雜纖維板水平放置后，夾芯中心以上的第一份定以為+1份、夾芯中心以上的第二份定以為+2份、以此類推直至第+(n-1)/2份，定義夾芯中心以下的第一份定以為-1份、夾芯中心以上的第二份定以為-2份、以此類推直至第-(n-1)/2份；所述夾芯中心的高強低延伸率纖維的含量大于其它任何一份中，高強低延伸率纖維的含量；取份數(shù)的絕對值；絕對值最大的2份中，其高延伸率纖維的含量大于其它任何一份中高延伸率纖維的含量。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，沿垂直于所述混雜纖維板厚度方向；將混雜纖維板分成平均厚度的n份，所述n為奇數(shù)且大于等于3；定義最中間的一份為夾芯中心，將所述混雜纖維板水平放置后，夾芯中心以上的第一份定以為+1份、夾芯中心以上的第二份定以為+2份、以此類推直至第+(n-1)/2份，定義夾芯中心以下的第一份定以為-1份、夾芯中心以上的第二份定以為-2份、以此類推直至第-(n-1)/2份；所述夾芯中心的高強低延伸率纖維的含量大于其它任何一份中高強低延伸率纖維的含量；取份數(shù)的絕對值，絕對值最大的2份中，其高延伸率纖維的含量大于其它任何一份中高延伸率纖維的含量。且絕對值相等的份數(shù)中，高延伸率纖維、中延伸率纖維、高強低延伸率纖維的含量分別相等。

作為進一步的優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，沿垂直于所述混雜纖維板厚度方向；將混雜纖維板分成平均厚度的n份，所述n為奇數(shù)且大于等于3；定義最中間的一份為夾芯中心，將所述混雜纖維板水平放置后，夾芯中心以上的第一份定以為+1份、夾芯中心以上的第二份定以為+2份、以此類推直至第+(n-1)/2份，定義夾芯中心以下的第一份定以為-1份、夾芯中心以上的第二份定以為-2份、以此類推直至第-(n-1)/2份；所述夾芯中心的高強低延伸率纖維的含量大于其它任何一份中高強低延伸率纖維的含量；取份數(shù)的絕對值，絕對值最大的2份中，其高延伸率纖維的含量大于其它任何一份中高延伸率纖維的含量；且絕對值相等的份數(shù)中，高延伸率纖維、中延伸率纖維、高強低延伸率纖維的含量分別相等。除此之外，，高延伸率纖維、中延伸率纖維、高強低延伸率纖維中的至少一種纖維的含量按份數(shù)絕對值的大小，呈梯度變化。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，沿垂直于所述混雜纖維板厚度方向；將混雜纖維板分成平均厚度的n份，所述n為奇數(shù)且大于等于3；定義最中間的一份為夾芯中心，將所述混雜纖維板水平放置后，夾芯中心以上的第一份定以為+1份、夾芯中心以上的第二份定以為+2份、以此類推直至第+(n-1)/2份，定義夾芯中心以下的第一份定以為-1份、夾芯中心以上的第二份定以為-2份、以此類推直至第-(n-1)/2份；在絕對值相同的份數(shù)中，纖維的長度方向與混雜纖維板長度方向呈a角；所述a角的取值為0～45°中任意一定值；在絕對值不同的份數(shù)中，a角的取值不同。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，所述混雜纖維板中，樹脂基體(4)的體積占混雜纖維板總體積的40±5％；其余為纖維所占體積；

定義纖維所占體積為總體積，高強低延伸率纖維的體積占總體積的20％～40％，中延伸率纖維的體積占總體積的20％～40％，高延伸率纖維的體積占總體積的40％～60％。

作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種混雜纖維板，所述夾芯中心中高強低延伸率纖維的體積百分含量為20％～40％，樹脂的的體積百分含量為20％～40％；絕對值最大的2份中，高延伸率纖維的體積百分含量為40％～60％％，樹脂的體積百分含量為40±5％。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的土木工程用層間混雜纖維板中的高延伸率纖維預(yù)浸料和中延伸率纖維預(yù)浸料共同起到了提高混雜纖維板延性的作用，在高強低延伸率纖維層斷裂時中延伸率預(yù)浸料減弱了應(yīng)力集中的影響，使應(yīng)力平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到中延伸率纖維預(yù)浸料和高延伸率纖維預(yù)浸料，混雜纖維板能夠繼續(xù)承受荷載，直至達到中延伸率纖維預(yù)浸料的斷裂延伸率才發(fā)生斷裂，混雜纖維板表現(xiàn)出分層破壞逐步斷裂，使混雜纖維板加固受彎構(gòu)件的變形能力有了大幅度的提高。而本發(fā)明的土木工程用層間混雜纖維板中的高強低延伸率纖維預(yù)浸料起到了提高混雜纖維板極限拉伸強度和彈性模量的作用，使混雜纖維板加固受彎構(gòu)件的極限承載力相比于加固前可以提高50％～70％。在三種纖維預(yù)浸料的協(xié)同工作下，混雜纖維板能在兼顧高強、高彈性模量的同時還具有較好的延性，因此，能在大幅度提高極限承載力的前提下大幅度提高加固受彎構(gòu)件延性。在本發(fā)明中所述**纖維預(yù)浸料指的是，取超薄的樹脂層，將**纖維按設(shè)定角度鋪設(shè)于所取樹脂層的a面上，然后預(yù)熱、預(yù)壓，得到a面帶有**纖維的樹脂層，然后翻一面，在b上重復(fù)上述操作，得到**纖維預(yù)浸料。將各預(yù)浸料按設(shè)定結(jié)構(gòu)疊層后，熱壓，得到成品。

附圖說明

圖1為實施例1沿厚度方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例2沿厚度方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施例3沿厚度方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例4沿厚度方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為實施例5沿寬度方向的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為高強玻璃/玄武巖/碳纖維混雜的hfrp的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖7為芳綸/玄武巖/碳纖維混雜的hfrp的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖中，1為高強玻璃纖維或芳綸纖維，2為玄武巖纖維，3為碳纖維，4為樹脂基體；α為纖維長度方向與混雜纖維板長度方向的夾角，β為纖維交叉的夾角。

具體實施方式

實施例1：

本實施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每層纖維預(yù)浸料均只含有一種纖維預(yù)浸料，采用疊層鋪設(shè)。在高延伸率纖維預(yù)浸料和高強低延伸率纖維預(yù)浸料之間鋪設(shè)中延伸率纖維預(yù)浸料。本實施例中作用在纖維板徑向的力分別由纖維和樹脂基體來承受，但主要由纖維來承受，樹脂基體的主要作用是對纖維進行定位和固定并傳遞纖維之間的應(yīng)力?？梢愿鶕?jù)加固工程的實際要求調(diào)整高強玻璃纖維預(yù)浸料、玄武巖纖維預(yù)浸料和碳纖維預(yù)浸料之間的比例和纖維預(yù)浸料的層數(shù)，在施工前完成預(yù)制。混雜纖維板的寬度在100mm-500mm之間，但可根據(jù)工程的實際要求通過預(yù)制的模具進行調(diào)整?；祀s纖維板的厚度與纖維預(yù)浸料的層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越多厚度越大，在0.2mm-5mm之間。高強低延伸率預(yù)浸料、中延伸率纖維預(yù)浸料和高延伸率纖維預(yù)浸料三者之間的體積之比可根據(jù)工程的實際要求進行調(diào)整。

實施例2：

本實施例的結(jié)構(gòu)如圖2所示，實施例2所采用的材料和混雜比例與實施例1基本相同，不同之處在于：每層纖維預(yù)浸料含有兩種不同的纖維，每層纖維預(yù)浸料采用錯層鋪設(shè)形成夾芯混雜。

實施例3：

本實施例的結(jié)構(gòu)如圖3所示，實施例3所采用的材料和混雜比例與實施例1基本相同，不同之處在于：每層纖維預(yù)浸料含有三種不同的纖維，每層纖維預(yù)浸料采用錯層鋪設(shè)形成夾芯混雜。

實施例4：

本實施例的結(jié)構(gòu)如圖4所示，實施例4所采用的材料和混雜比例與實施例1基本相同，不同之處在于：一部分纖維預(yù)浸料層含有兩種纖維，另一部分纖維預(yù)浸料層含有三種纖維，含有兩種纖維的纖維預(yù)浸料層與含有三種纖維的纖維預(yù)浸料層的層數(shù)之比為2：1，含有兩種纖維的纖維預(yù)浸料層采用高延伸率纖維和中延伸率纖維這兩種纖維，每層纖維預(yù)浸料采用錯層鋪設(shè)形成夾芯混雜。

實施例5：

本實施例的如圖5所示，實施例5的材料和混雜比例與實施例1、實施例2、實施例3和實施例4基本相同，實施例5可采用實施例1、實施例2、實施例3和實施例4的基本結(jié)構(gòu)，不同之處在于：纖維預(yù)浸料以與板材長度方向以固定角度α交叉鋪設(shè)，α為45°(同時45°為最佳條件)，以此提高混雜纖維板橫向的極限拉伸強度和彈性模量。

以下是試驗的內(nèi)容：

一、試驗材料

所述高延伸率纖維預(yù)浸料(1)采用高強玻璃纖維預(yù)浸料或芳綸纖維預(yù)浸料，中延伸率纖維預(yù)浸料(2)采用玄武巖纖維預(yù)浸料，高強低延伸率纖維預(yù)浸料(3)采用碳纖維預(yù)浸料。樹脂基體(4)采用常用的濕態(tài)樹脂。材料性能如下表所示：

表1：單一纖維組分frp性能

二、縱向拉伸試驗結(jié)果

為了研究不同的纖維種類和不同的混雜比例對hfrp的縱向拉伸力學(xué)性能、混雜規(guī)律以及延性的影響，進行了hfrp的縱向拉伸性能對比試驗。按表2中的混雜方式制成相應(yīng)的hfrp，其中s、a、b和c分別代表高強玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維和碳纖維，s/b/c代表高強玻璃纖維、玄武巖纖維和碳纖維按相應(yīng)比例層間混雜制成的hfrp，其余表示類同。

表2：混雜方式及力學(xué)性能

續(xù)表2

對表2的試驗結(jié)果進行對比分析和研究：

高延伸率纖維與高強低延伸率纖維混雜制成的hfrp的彈性模量相比于單一高延伸率纖維的frp提高了約35％～75％，中延伸率纖維與高強低延伸率纖維混雜制成的hfrp的彈性模量相比于單一中延伸率纖維的hfrp提高了約35％～55％。對比結(jié)果表明混雜高強低延伸率纖維有利提高hfrp的彈性模量，而且高強低延伸率纖維所占的體積比例越大，混雜后的hfrp的彈性模量就越大。

無論高延伸率纖維與高強低延伸率纖維的混雜方式還是中延伸率纖維與高強低延伸率纖維的混雜方式對hfrp的斷裂延伸率的提高作用并不明顯，混雜制成的hfrp的斷裂延伸率與單一高強低延伸率纖維的frp幾乎一致。對比結(jié)果說明由這兩種混雜方式混雜制成的hfrp在低延伸率纖維斷裂時，由于應(yīng)力集中過大導(dǎo)致高延伸率、中延伸率纖維幾乎與低延伸率纖維同時斷裂。雖然混雜后彈性模量得到較大的提高，但混雜后hfrp的延性并未有提高，而且高延伸率、中延伸率纖維的性能未能得到有效的發(fā)揮。

高延伸率的高強玻璃纖維與高延伸率的芳綸纖維混雜制成的hfrp的力學(xué)性能與單一高延伸率纖維的frp的力學(xué)性能相差不大。而高延伸率纖維與中延伸率纖維混雜制成的hfrp的彈性模量和極限拉伸強度接近于單一高延伸率纖維的frp，斷裂延伸率接近于單一中延伸率纖維的frp。對比結(jié)果說明兩種高延伸率纖維混雜的混雜方式、高延伸率纖維與中延伸率纖維混雜的混雜方式對力學(xué)性能的提高改善作用并不明顯，甚至?xí)a(chǎn)生不利影響。

高延伸率纖維、中延伸率纖維與高強度低延伸率纖維混雜后的hfrp的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，高強低延伸率纖維斷裂后，中延伸率纖維減弱應(yīng)力集中的影響，應(yīng)力平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，使其余纖維能夠繼續(xù)承載，直至hfrp達到中延伸率纖維的斷裂延伸率才被拉斷。高延伸率纖維、中延伸率纖維與高強度低延伸率纖維混雜后的hfrp的彈性模量相比于單一高延伸率纖維的frp提高了50％～70％，斷裂延伸率相比于單一高強低延伸率纖維的frp提高了約45％。對比結(jié)果說明高延伸率纖維、中延伸率纖維與高強度低延伸率纖維混雜制成的hfrp在兼顧高強、高彈性模量的同時還具有較高的延性。

綜上所述，本發(fā)明所提供的混雜纖維板的力學(xué)性能優(yōu)于僅有兩種纖維混雜的混雜纖維板，在兼顧高強、高彈性模量的同時還具有較高的延性，能在大幅度提高加固受彎構(gòu)件極限承載力的前提下大幅度提高加固受彎構(gòu)件的延性，并可根據(jù)工程的實際要求，對混雜比例、纖維預(yù)浸料的層數(shù)以及纖維板的厚度和寬度進行調(diào)整。因此，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于土木工程加固領(lǐng)域。