經(jīng)編軸向織物在增強混凝土上的應(yīng)用

葉 青 繆旭紅 蔣高明 (經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，無錫，214122)

經(jīng)編軸向織物在增強混凝土上的應(yīng)用

葉 青 繆旭紅 蔣高明 (經(jīng)編技術(shù)教育部工程研究中心，無錫，214122)

簡述了經(jīng)編軸向織物的概念，介紹了經(jīng)編軸向織物增強混凝土復(fù)合材料在房屋、橋梁、管道、建筑修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，展望了經(jīng)編軸向織物增強混凝土應(yīng)用的發(fā)展前景。

經(jīng)編軸向織物，混凝土，房屋，橋梁，管道

經(jīng)編軸向織物也稱取向織物，織物在縱向和橫向以及斜向都可襯入紗線，縱向襯入紗線稱為襯經(jīng)紗(也稱0°紗)，緯向襯入紗線稱為襯緯紗(也稱90°紗)，斜向襯入紗線稱為斜向紗線。按照紗線的襯入方向，經(jīng)編軸向織物可分為經(jīng)編單軸向織物、經(jīng)編雙軸向織物、經(jīng)編多軸向織物［1]。

由于經(jīng)編軸向織物具有較低的生產(chǎn)成本，較高的生產(chǎn)效率，織物結(jié)構(gòu)整體性強，設(shè)計靈活，抗撕裂性能好，層間力強等優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、電業(yè)等各個領(lǐng)域。目前經(jīng)編軸向織物憑借其在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上的優(yōu)勢，已成為增強混凝土的主要織物形式。雖然在國內(nèi)織物增強混凝土僅使用在修復(fù)建筑材料上，但在歐美國家，特別是德國將其作為預(yù)制件，在一些橋梁、房屋等建筑上已得到了試驗性應(yīng)用，為經(jīng)編軸向織物在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的視野。

1 在房屋上的應(yīng)用

經(jīng)編軸向織物增強混凝土上常用的纖維主要有玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維和高強滌綸等。主要為耐堿玻璃纖維，其紗線線密度為1 200～5 000 tex，織物面密度為160～650 g/m2。

1.1 經(jīng)編軸向織物的形成及結(jié)構(gòu)

在增強混凝土上用的經(jīng)編軸向織物主要以雙軸向織物為主，雙軸向織物是在0°和90°方向，襯經(jīng)紗和襯緯紗平行伸直排列，形成兩個相互垂直的紗線層，由地組織綁縛后成為一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它能夠成功地加強建筑物結(jié)構(gòu)的縱向預(yù)應(yīng)力。

多軸向織物在0°、90°和±θ°都襯有增強紗線，θ可以在20°～90°之間變化，多層紗片由經(jīng)平或編鏈組織綁縛在一起，因此多軸向織物是一種多層織物。多軸向織物的斜向紗線能有效地提高混凝土材料的剪切強力。

用作提高混凝土構(gòu)件的經(jīng)編間隔織物是一種特殊的雙軸向織物，需要在改進的雙針床機器上進行織造。主要增加兩側(cè)的襯入緯紗系統(tǒng)和一個特殊的緯紗握持系統(tǒng)，使其能將0°和90°的增強紗線傳動嵌入到線圈中。間隔織物的厚度可以在20～60 mm之間調(diào)節(jié)。

為了使界面性能更佳，方便與復(fù)合材料的各個組分形成一個整體，用于混凝土的經(jīng)編軸向織物一般為網(wǎng)格狀織物。圖1為增強混凝土上常用的經(jīng)編軸向織物，分別是經(jīng)編雙軸向織物、三軸向織物、間隔織物。

1.2 經(jīng)編軸向織物在房屋上的應(yīng)用場合

經(jīng)編雙軸向織物是目前在增強混凝土上使用最多的軸向織物形式。用于屋頂?shù)碾p軸向織物主要由耐堿性玻璃纖維1 200 tex制成，面密度在190 g/m2左右。織物制成帶有毛細管系統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以將介質(zhì)(如水)注入到這些毛細管體系中以散發(fā)所吸收的太陽熱。這種復(fù)合材料還同時具有壁薄、量輕等性能特點［2]。

圖1 用在增強混凝土上的經(jīng)編軸向織物增強形式

在墻體中使用的經(jīng)編雙軸向織物的網(wǎng)格寬度為2.5 ～12 mm。研究發(fā)現(xiàn)，利用2.5 mm ×2.5 mm網(wǎng)格的雙軸向織物的這種正交纖維結(jié)構(gòu)，通過水蒸汽滲透灰漿，可以保持建筑物內(nèi)各組件之間的內(nèi)聚力，改善后期斷裂行為［3]。

在墻體上也常用經(jīng)編間隔織物，通過把基質(zhì)直接注入模具，將間隔織物加工成薄壁混凝土構(gòu)件。這是一種經(jīng)濟可行的方法，適用于預(yù)澆制的混凝土構(gòu)件的大規(guī)模生產(chǎn)，不僅節(jié)約成本，還能將隔熱和隔聲完美結(jié)合，體薄質(zhì)輕的間隔板可大量用于既要有支撐作用又需要美觀的建筑物墻體表面［4]。

增強水泥基用的經(jīng)編多軸向織物多為三軸向和四軸向織物。以三軸向織物為例，纖維束層的鋪層方向常為0°和 ±60°或0°和 ±45°三個方向。常用線密度為2 500 tex的耐堿玻璃纖維作為斜向紗線，1 200 tex的耐堿玻璃纖維作為0°紗線;或者采用800 tex的碳纖維。實驗證明，采用經(jīng)編多軸向織物增強水泥基能提高混凝土的斷裂強力和隔熱能力，并有效地提高混凝土材料的剪切強力。

為了使經(jīng)編軸向織物與混凝土具有良好的界面而獲得更好的承載能力，必須對織物進行預(yù)處理。德國德累斯頓技術(shù)大學(xué)采用的方法是對經(jīng)編軸向織物先采用輥式涂覆系統(tǒng)進行水性分散體的涂層，然后采用紅外線干燥的直接涂膜法。聚合物涂層須在軸向經(jīng)編機傳輸系統(tǒng)上處于張緊狀態(tài)時實施，否則會導(dǎo)致紗層位置的扭曲［5]。

1.3 經(jīng)編軸向織物在房屋上應(yīng)用的優(yōu)點

作為屋頂使用時，這種輕質(zhì)的建筑材料具有良好的抗彎性能，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屋頂瓦片和橫梁，還可增加椽子之間的距離。在同樣承載能力和使用年限下，新型的屋頂覆蓋材料的總重比傳統(tǒng)的屋頂結(jié)構(gòu)要低大約50%，而其耐風化和耐冰雹腐蝕的能力卻很強。這些材料在許多年后仍保證功能完好，不需要維修，因此可用于修補、重建或是新建大樓上［2]。

作為墻體使用時，由經(jīng)編軸向織物增強混凝土制成的預(yù)制件具有以下優(yōu)點:①優(yōu)異的隔熱性、隔聲性。②良好的抗震性。經(jīng)編軸向織物能增加基本承載能力，改善其撕裂、斷裂及后期斷裂行為，減少建筑物在地震中倒塌的概率。③裝卸方便。預(yù)制件因為質(zhì)量較輕能夠快速運輸和安裝，相比于一般房屋，建造速度更為快捷。④較高的經(jīng)濟效益。此種建筑材料能降低運輸費用，縮短裝配時間，并能節(jié)約混凝土用量。⑤外觀的可設(shè)計性。該建筑材料具有優(yōu)良的品質(zhì)、漂亮的外觀和獨特的外形，它可以完美地與預(yù)制門窗和建筑表面匹配。

1.4 經(jīng)編軸向織物在房屋上應(yīng)用的實例

圖2為第一個采用能承重的紡織品增強混凝土部件構(gòu)筑的建筑“Tex_Modul”，這座涼亭式建筑擁有經(jīng)編軸向織物增強的墻壁和屋頂［6]。

其屋頂和墻壁均由三明治式構(gòu)件組成。這些結(jié)構(gòu)組件能起到轉(zhuǎn)移負荷、隔熱及隔聲的作用。建筑物內(nèi)外表層上都覆蓋了20 mm厚的織物增強混凝土，中間有16 cm厚的聚氨酯泡沫夾層。夾層的硬質(zhì)泡沫和表面的覆蓋物一起組成了一種具有良好承載性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

墻壁和屋頂部分采用線密度為2 400 tex耐堿玻璃纖維的經(jīng)編雙軸向織物為增強體的復(fù)合材料?？椢锝Y(jié)構(gòu)為經(jīng)向網(wǎng)格寬8.3 mm、緯向網(wǎng)格寬8.4 mm，織物面密度625 g/m2，制得織物后經(jīng)過環(huán)氧樹脂處理，以提高其承載能力和加工性能。圖3為在涼亭中由經(jīng)編雙軸向織物制成的增強構(gòu)件的接頭。

圖2 “Tex_Modul”涼亭

圖3 增強構(gòu)件的接頭

2 在橋梁上的應(yīng)用

目前，經(jīng)編軸向織物在橋梁上的應(yīng)用是將復(fù)合材料制成多個橋段，如圖4所示。在模具內(nèi)的橋段由四層經(jīng)編雙軸向織物與混凝土復(fù)合而成，將橋段從模具中移出之后通過混凝土黏合劑進行黏合，并用預(yù)緊力壓緊，使多余的黏合劑溢出，確保連接點被充分包圍。當整個橋梁都聯(lián)結(jié)好后，再穿上起拉緊作用的縱向筋腱的Suspa金屬絲。將這些橋段運輸至目的地之后僅用起重機即可實現(xiàn)橋梁的架設(shè)［7]。

圖4 橋段中采用的復(fù)合材料

世界上第一座用紡織增強混凝土材料建造的橋梁于2005年在德國奧霞茲落成，如圖5所示。這座橋跨幅8.6 m，寬3 m，含有2.5 m3的混凝土和300 m2的紡織品。其重量為同等規(guī)格混凝土橋梁的1/5，總負荷卻可達340 kN，能容納行人和自行車通行。2007年，第二座輕量級的復(fù)合橋梁在德國柯普頓建成，橋長17 m，寬2.6 m，高1.3 m，是當今世界上最長的復(fù)合材料橋梁。它采用的是經(jīng)緯向都為2 400 tex的玻璃纖維，網(wǎng)格大小為10.8 mm，織物面密度為147.8 g/m2的經(jīng)編雙軸向織物與5 mm厚的混凝土層相互交錯，組成30 mm厚的混凝土材料層，整個橋梁結(jié)構(gòu)共用700 m2的織物。這座橋梁的重量是常規(guī)混凝土橋梁重量的1/3，能保證輕質(zhì)車輛的安全通行。

圖5 經(jīng)編織物增強混凝土復(fù)合材料橋梁

雖然迄今為止，采用經(jīng)編軸向織物增強混凝土還未有承載高負荷的構(gòu)件，但在橋梁上的成功應(yīng)用表明了這種復(fù)合材料的潛在性能。特別是質(zhì)輕和便于安裝的特點，使其在災(zāi)后重建工作中具有明顯優(yōu)勢。相信在不久的將來，隨著經(jīng)編軸向織物增強混凝土承載能力的加強，這種復(fù)合材料橋梁會在世界范圍得到廣泛使用。

3 在增強管道上的應(yīng)用

混凝土管道是一種經(jīng)濟耐用的常用管道，但存在管道較重、管壁厚、承載小等缺點。目前塑膠管道被作為混凝土管道的替代品，塑膠管道除了具有很好的抗水壓特性外，還極其耐腐蝕、防污垢沉積，并且耐用。然而它們的抗壓性能較差，特別是在強高壓工作和大口徑情況下，而且價格昂貴，從而影響了塑膠管道的進一步發(fā)展。

采用經(jīng)編軸向織物增強混凝土復(fù)合材料制成的運輸管道一定程度上結(jié)合了一般塑料管道和混凝土管道的優(yōu)點。經(jīng)編軸向織物經(jīng)過樹脂處理后，使得管道內(nèi)部具有良好的密封性、液體的流動性和耐腐蝕性能;同時外層的混凝土能吸收來自外部的載荷，有效地減小在管道內(nèi)的拉伸和彎曲載荷。以10～20 mm壁厚制成的內(nèi)徑為130 mm的管道，可以承受2.7～5.7 MPa的內(nèi)壓力?？傮w說來，這種新型管道具有壁薄、質(zhì)輕、性價比高的優(yōu)點。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當纖維體積在1%以下時，此類復(fù)合材料的性能與纖維體積含量呈線性關(guān)系。當使用2 400 tex為縱向紗線，1 280 tex為橫向紗線時，這種管道的韌性和剛度達到最佳值，能夠充分發(fā)揮這種復(fù)合材料的韌性及強度。圖6為用經(jīng)編軸向織物增強的混凝土管道［8]。

圖6 用經(jīng)編軸向織物增強的混凝土管道

經(jīng)編軸向織物增強混凝土管道具有運輸方便、施工簡單、工期短、耐腐蝕性強和綜合造價低等優(yōu)點，因此有著廣闊的應(yīng)用前景?？捎迷诮o水、排水、供熱、供煤氣、長距離輸送石油和天然氣、農(nóng)業(yè)灌溉、水力工程和各種工業(yè)裝置中。

4 在修復(fù)加固建筑材料中的應(yīng)用

由于歷年的朽化、施工質(zhì)量、地震和其他意外損傷等原因，大量的建筑物都亟待加固修復(fù)，以延長其壽命。另外在污水處理、化工、海港等對建筑結(jié)構(gòu)有著特殊耐腐蝕性能要求的場所，以及一些大跨度的殼體都需要進一步加固。經(jīng)編軸向織物在修復(fù)加固建筑上發(fā)揮了重要作用，通過利用浸漬樹脂將織物復(fù)合材料粘貼于建筑表面，可單層粘貼也可多層粘貼和纏繞粘貼?？捎行У鼗謴?fù)和提高建筑物的承載和抗震能力，延長其使用壽命，節(jié)約資金，降低建筑成本，收到良好的社會經(jīng)濟效益［9]。圖7為經(jīng)編雙軸向織物在修復(fù)混凝土立柱上的使用。

圖7 經(jīng)編雙軸向織物修復(fù)混凝土立柱

此外，經(jīng)編軸向織物還可修復(fù)有缺陷的管道，防止污染物滲漏對土壤和地下水造成污染，保證下水道系統(tǒng)正常工作。短中期管道修復(fù)通常需要更換管道的內(nèi)層材料，經(jīng)編軸向織物復(fù)合材料可以作為生產(chǎn)管道的內(nèi)襯，將織物制成軟管后，用樹脂材料浸漬后襯入管道內(nèi)部。樹脂材料固化后即在管道內(nèi)形成一個新的塑料管材。修復(fù)后的載體基材表面光滑，沒有沉淀物。相比于其他方式的修復(fù)，此種方式得到的管道流動性更好，沉淀物更少。

5 在其他方面的應(yīng)用

紡織材料具有良好的柔軟性和成型性，經(jīng)過很薄的混凝土覆蓋，在滿足承載力的同時還具有質(zhì)輕的特點，為各種薄殼類產(chǎn)品的設(shè)計提供了可能。制成過程是軸向織物裁剪或者排放成所要求的形狀，并以此為模板，進行混凝土的涂覆，最后成型、養(yǎng)護。薄殼類織物可以制作工藝品和家具，產(chǎn)品風格介于雕塑和建筑之間，具有自然隨性、大方精致的特點［10]。

圖8 經(jīng)編軸向織物增強混凝土復(fù)合材料家具

6 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑混凝土的用量愈來愈大，結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜，與鋼筋混凝土相比不易腐蝕的經(jīng)編軸向織物增強混凝土更具優(yōu)勢。在建筑加固、橋梁、外觀設(shè)計、建筑修復(fù)等領(lǐng)域，有一定范圍的應(yīng)用。目前，全球處于第五期的地震活躍期，中國繼臺灣之后，四川汶川、青海玉樹等地都遭受了嚴重的地震災(zāi)害，如果經(jīng)編軸向織物增強混凝土的復(fù)合材料能夠得到充分利用，相信能大幅減輕地震危害，在災(zāi)后重建中也將大有用處?？梢灶A(yù)見，經(jīng)編軸向織物增強混凝土在建筑行業(yè)將有廣闊的應(yīng)用前景。

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The application of warp knitting axial fabrics to reinforced concrete

Ye Qing，Miao Xuhong，Jiang Gaoming

(Engineering Research Center of Warp Knitting Technology，Ministry of Education)

The concept of warp knitting axial fabrics was introduced in this paper.The applications of the warp knitting axial fabric to reinforced concrete composite materials used in the construction，house，bridge，pipe，construction repair，and other fields were described.Meanwhile the application prosepects of the warp knitting axial fabric were made.

warp-knitting axial fabric，concrete，house，bridge，pipe

TS186.5

A

1004-7093(2011)04-0027-05

2010-12-31;修改稿:2011-03-15

葉青，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要研究方向為經(jīng)編軸向織物復(fù)合材料。