经编轴向织物在增强混凝土上的应用

叶 青 缪旭红 蒋高明 (经编技术教育部工程研究中心，无锡，214122)

经编轴向织物在增强混凝土上的应用

叶 青 缪旭红 蒋高明 (经编技术教育部工程研究中心，无锡，214122)

简述了经编轴向织物的概念，介绍了经编轴向织物增强混凝土复合材料在房屋、桥梁、管道、建筑修复等领域的应用，展望了经编轴向织物增强混凝土应用的发展前景。

经编轴向织物，混凝土，房屋，桥梁，管道

经编轴向织物也称取向织物，织物在纵向和横向以及斜向都可衬入纱线，纵向衬入纱线称为衬经纱(也称0°纱)，纬向衬入纱线称为衬纬纱(也称90°纱)，斜向衬入纱线称为斜向纱线。按照纱线的衬入方向，经编轴向织物可分为经编单轴向织物、经编双轴向织物、经编多轴向织物［1]。

由于经编轴向织物具有较低的生产成本，较高的生产效率，织物结构整体性强，设计灵活，抗撕裂性能好，层间力强等优点，越来越广泛地应用于军事、航天、电业等各个领域。目前经编轴向织物凭借其在结构和力学性能上的优势，已成为增强混凝土的主要织物形式。虽然在国内织物增强混凝土仅使用在修复建筑材料上，但在欧美国家，特别是德国将其作为预制件，在一些桥梁、房屋等建筑上已得到了试验性应用，为经编轴向织物在建筑领域的应用提供了广阔的视野。

1 在房屋上的应用

经编轴向织物增强混凝土上常用的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维和高强涤纶等。主要为耐碱玻璃纤维，其纱线线密度为1 200～5 000 tex，织物面密度为160～650 g/m2。

1.1 经编轴向织物的形成及结构

在增强混凝土上用的经编轴向织物主要以双轴向织物为主，双轴向织物是在0°和90°方向，衬经纱和衬纬纱平行伸直排列，形成两个相互垂直的纱线层，由地组织绑缚后成为一个稳定的结构，它能够成功地加强建筑物结构的纵向预应力。

多轴向织物在0°、90°和±θ°都衬有增强纱线，θ可以在20°～90°之间变化，多层纱片由经平或编链组织绑缚在一起，因此多轴向织物是一种多层织物。多轴向织物的斜向纱线能有效地提高混凝土材料的剪切强力。

用作提高混凝土构件的经编间隔织物是一种特殊的双轴向织物，需要在改进的双针床机器上进行织造。主要增加两侧的衬入纬纱系统和一个特殊的纬纱握持系统，使其能将0°和90°的增强纱线传动嵌入到线圈中。间隔织物的厚度可以在20～60 mm之间调节。

为了使界面性能更佳，方便与复合材料的各个组分形成一个整体，用于混凝土的经编轴向织物一般为网格状织物。图1为增强混凝土上常用的经编轴向织物，分别是经编双轴向织物、三轴向织物、间隔织物。

1.2 经编轴向织物在房屋上的应用场合

经编双轴向织物是目前在增强混凝土上使用最多的轴向织物形式。用于屋顶的双轴向织物主要由耐碱性玻璃纤维1 200 tex制成，面密度在190 g/m2左右。织物制成带有毛细管系统的复合材料结构，可以将介质(如水)注入到这些毛细管体系中以散发所吸收的太阳热。这种复合材料还同时具有壁薄、量轻等性能特点［2]。

图1 用在增强混凝土上的经编轴向织物增强形式

在墙体中使用的经编双轴向织物的网格宽度为2.5 ～12 mm。研究发现，利用2.5 mm ×2.5 mm网格的双轴向织物的这种正交纤维结构，通过水蒸汽渗透灰浆，可以保持建筑物内各组件之间的内聚力，改善后期断裂行为［3]。

在墙体上也常用经编间隔织物，通过把基质直接注入模具，将间隔织物加工成薄壁混凝土构件。这是一种经济可行的方法，适用于预浇制的混凝土构件的大规模生产，不仅节约成本，还能将隔热和隔声完美结合，体薄质轻的间隔板可大量用于既要有支撑作用又需要美观的建筑物墙体表面［4]。

增强水泥基用的经编多轴向织物多为三轴向和四轴向织物。以三轴向织物为例，纤维束层的铺层方向常为0°和 ±60°或0°和 ±45°三个方向。常用线密度为2 500 tex的耐碱玻璃纤维作为斜向纱线，1 200 tex的耐碱玻璃纤维作为0°纱线;或者采用800 tex的碳纤维。实验证明，采用经编多轴向织物增强水泥基能提高混凝土的断裂强力和隔热能力，并有效地提高混凝土材料的剪切强力。

为了使经编轴向织物与混凝土具有良好的界面而获得更好的承载能力，必须对织物进行预处理。德国德累斯顿技术大学采用的方法是对经编轴向织物先采用辊式涂覆系统进行水性分散体的涂层，然后采用红外线干燥的直接涂膜法。聚合物涂层须在轴向经编机传输系统上处于张紧状态时实施，否则会导致纱层位置的扭曲［5]。

1.3 经编轴向织物在房屋上应用的优点

作为屋顶使用时，这种轻质的建筑材料具有良好的抗弯性能，可代替传统的屋顶瓦片和横梁，还可增加椽子之间的距离。在同样承载能力和使用年限下，新型的屋顶覆盖材料的总重比传统的屋顶结构要低大约50%，而其耐风化和耐冰雹腐蚀的能力却很强。这些材料在许多年后仍保证功能完好，不需要维修，因此可用于修补、重建或是新建大楼上［2]。

作为墙体使用时，由经编轴向织物增强混凝土制成的预制件具有以下优点:①优异的隔热性、隔声性。②良好的抗震性。经编轴向织物能增加基本承载能力，改善其撕裂、断裂及后期断裂行为，减少建筑物在地震中倒塌的概率。③装卸方便。预制件因为质量较轻能够快速运输和安装，相比于一般房屋，建造速度更为快捷。④较高的经济效益。此种建筑材料能降低运输费用，缩短装配时间，并能节约混凝土用量。⑤外观的可设计性。该建筑材料具有优良的品质、漂亮的外观和独特的外形，它可以完美地与预制门窗和建筑表面匹配。

1.4 经编轴向织物在房屋上应用的实例

图2为第一个采用能承重的纺织品增强混凝土部件构筑的建筑“Tex_Modul”，这座凉亭式建筑拥有经编轴向织物增强的墙壁和屋顶［6]。

其屋顶和墙壁均由三明治式构件组成。这些结构组件能起到转移负荷、隔热及隔声的作用。建筑物内外表层上都覆盖了20 mm厚的织物增强混凝土，中间有16 cm厚的聚氨酯泡沫夹层。夹层的硬质泡沫和表面的覆盖物一起组成了一种具有良好承载性能的复合结构。

墙壁和屋顶部分采用线密度为2 400 tex耐碱玻璃纤维的经编双轴向织物为增强体的复合材料。织物结构为经向网格宽8.3 mm、纬向网格宽8.4 mm，织物面密度625 g/m2，制得织物后经过环氧树脂处理，以提高其承载能力和加工性能。图3为在凉亭中由经编双轴向织物制成的增强构件的接头。

图2 “Tex_Modul”凉亭

图3 增强构件的接头

2 在桥梁上的应用

目前，经编轴向织物在桥梁上的应用是将复合材料制成多个桥段，如图4所示。在模具内的桥段由四层经编双轴向织物与混凝土复合而成，将桥段从模具中移出之后通过混凝土黏合剂进行黏合，并用预紧力压紧，使多余的黏合剂溢出，确保连接点被充分包围。当整个桥梁都联结好后，再穿上起拉紧作用的纵向筋腱的Suspa金属丝。将这些桥段运输至目的地之后仅用起重机即可实现桥梁的架设［7]。

图4 桥段中采用的复合材料

世界上第一座用纺织增强混凝土材料建造的桥梁于2005年在德国奥霞兹落成，如图5所示。这座桥跨幅8.6 m，宽3 m，含有2.5 m3的混凝土和300 m2的纺织品。其重量为同等规格混凝土桥梁的1/5，总负荷却可达340 kN，能容纳行人和自行车通行。2007年，第二座轻量级的复合桥梁在德国柯普顿建成，桥长17 m，宽2.6 m，高1.3 m，是当今世界上最长的复合材料桥梁。它采用的是经纬向都为2 400 tex的玻璃纤维，网格大小为10.8 mm，织物面密度为147.8 g/m2的经编双轴向织物与5 mm厚的混凝土层相互交错，组成30 mm厚的混凝土材料层，整个桥梁结构共用700 m2的织物。这座桥梁的重量是常规混凝土桥梁重量的1/3，能保证轻质车辆的安全通行。

图5 经编织物增强混凝土复合材料桥梁

虽然迄今为止，采用经编轴向织物增强混凝土还未有承载高负荷的构件，但在桥梁上的成功应用表明了这种复合材料的潜在性能。特别是质轻和便于安装的特点，使其在灾后重建工作中具有明显优势。相信在不久的将来，随着经编轴向织物增强混凝土承载能力的加强，这种复合材料桥梁会在世界范围得到广泛使用。

3 在增强管道上的应用

混凝土管道是一种经济耐用的常用管道，但存在管道较重、管壁厚、承载小等缺点。目前塑胶管道被作为混凝土管道的替代品，塑胶管道除了具有很好的抗水压特性外，还极其耐腐蚀、防污垢沉积，并且耐用。然而它们的抗压性能较差，特别是在强高压工作和大口径情况下，而且价格昂贵，从而影响了塑胶管道的进一步发展。

采用经编轴向织物增强混凝土复合材料制成的运输管道一定程度上结合了一般塑料管道和混凝土管道的优点。经编轴向织物经过树脂处理后，使得管道内部具有良好的密封性、液体的流动性和耐腐蚀性能;同时外层的混凝土能吸收来自外部的载荷，有效地减小在管道内的拉伸和弯曲载荷。以10～20 mm壁厚制成的内径为130 mm的管道，可以承受2.7～5.7 MPa的内压力。总体说来，这种新型管道具有壁薄、质轻、性价比高的优点。

经过研究发现，当纤维体积在1%以下时，此类复合材料的性能与纤维体积含量呈线性关系。当使用2 400 tex为纵向纱线，1 280 tex为横向纱线时，这种管道的韧性和刚度达到最佳值，能够充分发挥这种复合材料的韧性及强度。图6为用经编轴向织物增强的混凝土管道［8]。

图6 用经编轴向织物增强的混凝土管道

经编轴向织物增强混凝土管道具有运输方便、施工简单、工期短、耐腐蚀性强和综合造价低等优点，因此有着广阔的应用前景。可用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

4 在修复加固建筑材料中的应用

由于历年的朽化、施工质量、地震和其他意外损伤等原因，大量的建筑物都亟待加固修复，以延长其寿命。另外在污水处理、化工、海港等对建筑结构有着特殊耐腐蚀性能要求的场所，以及一些大跨度的壳体都需要进一步加固。经编轴向织物在修复加固建筑上发挥了重要作用，通过利用浸渍树脂将织物复合材料粘贴于建筑表面，可单层粘贴也可多层粘贴和缠绕粘贴。可有效地恢复和提高建筑物的承载和抗震能力，延长其使用寿命，节约资金，降低建筑成本，收到良好的社会经济效益［9]。图7为经编双轴向织物在修复混凝土立柱上的使用。

图7 经编双轴向织物修复混凝土立柱

此外，经编轴向织物还可修复有缺陷的管道，防止污染物渗漏对土壤和地下水造成污染，保证下水道系统正常工作。短中期管道修复通常需要更换管道的内层材料，经编轴向织物复合材料可以作为生产管道的内衬，将织物制成软管后，用树脂材料浸渍后衬入管道内部。树脂材料固化后即在管道内形成一个新的塑料管材。修复后的载体基材表面光滑，没有沉淀物。相比于其他方式的修复，此种方式得到的管道流动性更好，沉淀物更少。

5 在其他方面的应用

纺织材料具有良好的柔软性和成型性，经过很薄的混凝土覆盖，在满足承载力的同时还具有质轻的特点，为各种薄壳类产品的设计提供了可能。制成过程是轴向织物裁剪或者排放成所要求的形状，并以此为模板，进行混凝土的涂覆，最后成型、养护。薄壳类织物可以制作工艺品和家具，产品风格介于雕塑和建筑之间，具有自然随性、大方精致的特点［10]。

图8 经编轴向织物增强混凝土复合材料家具

6 结语

现代工业与民用建筑混凝土的用量愈来愈大，结构形式也日趋复杂，与钢筋混凝土相比不易腐蚀的经编轴向织物增强混凝土更具优势。在建筑加固、桥梁、外观设计、建筑修复等领域，有一定范围的应用。目前，全球处于第五期的地震活跃期，中国继台湾之后，四川汶川、青海玉树等地都遭受了严重的地震灾害，如果经编轴向织物增强混凝土的复合材料能够得到充分利用，相信能大幅减轻地震危害，在灾后重建中也将大有用处。可以预见，经编轴向织物增强混凝土在建筑行业将有广阔的应用前景。

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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

叶青，女，1986年生，在读硕士研究生。主要研究方向为经编轴向织物复合材料。