高 仲，魏 君

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100071）

1 FRP 材料

1.1 FRP 力學(xué)性能

常見(jiàn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1 和圖1。

表1 常見(jiàn)幾種FRP 與普通鋼筋和高強(qiáng)鋼絲力學(xué)性能比較

圖1 各種加固材料力學(xué)特性對(duì)比

1.2 FRP 復(fù)合材料的基本特征

FRP 復(fù)合材料具有很多優(yōu)良性能。其一，抗拉強(qiáng)度比較高。碳纖維材料、芳綸纖維和玻璃鋼三種FRP材料的抗拉強(qiáng)度都要比普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度高，與高強(qiáng)鋼筋相當(dāng)。其二，材料比重也相對(duì)減輕，在施工運(yùn)用的時(shí)候更加簡(jiǎn)單。FRP 材料的總密度約為普通鋼筋密度的1/4，當(dāng)對(duì)老舊的建筑材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的時(shí)候效果更佳且明顯。其三，熱膨脹系數(shù)也較低。FRP復(fù)合材料的額溫膨脹系數(shù)與混凝土的溫度很相似，所以在與混凝土同時(shí)工作的時(shí)候二者不會(huì)形成較大的溫差應(yīng)力。其四，比較耐腐蝕，應(yīng)用時(shí)期長(zhǎng)。與鋼材一樣，由于FRP 復(fù)合材料都具有優(yōu)異額抗腐蝕性和耐久性，所以可以將其用作混凝土的結(jié)構(gòu)加固工作中，就能夠大大提高混凝土構(gòu)件的應(yīng)用周期，特別是在腐蝕量相當(dāng)大的環(huán)境中，更能表現(xiàn)出其優(yōu)越性。其五，抗剪強(qiáng)度較低。

1.3 FRP 加固特點(diǎn)

（1）材料本身很輕，但強(qiáng)度很高，比強(qiáng)度值很理想。加固時(shí)，原結(jié)構(gòu)的尺寸和自重不能擴(kuò)大，對(duì)原結(jié)構(gòu)形狀的影響較小，因此其使用和推廣的優(yōu)勢(shì)很強(qiáng)。

（2）FRP 制品是由具有良好彈性比的纖維制成的。平行于纖維方向的各向異性、強(qiáng)度和彈性模量較高。

（3）在不同的環(huán)境中，它具有良好的耐腐蝕性、耐久性和優(yōu)異的抗疲勞性，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多樣化，可通過(guò)不同纖維品種、濃度、鋪層方向等方法制作出各種厚度、不同強(qiáng)度模數(shù)以及各種特性的FRP 制品，其造型簡(jiǎn)單，造型多變。

（5）改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的造型，外形變化不明顯。因?yàn)橐蠹庸膛c修補(bǔ)的構(gòu)件都有著確定的造型與形狀，所以通常并不允許因?yàn)榧庸潭绊懫湫螤?，因此柔性的FRP 片層很適合于在不同構(gòu)件造型與構(gòu)造部件之間的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，而且因?yàn)镕RP 片層的柔性非常好，所以就算被保護(hù)的構(gòu)件表面并非很平，也可以保持100%的有效粘貼，比使用鋼板補(bǔ)強(qiáng)更容易提高粘結(jié)效率。

（6）施工操作工藝實(shí)施性較好。由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有濕作業(yè)，其在混凝土粘貼時(shí)，可不考慮固定設(shè)備，因此作業(yè)簡(jiǎn)單、快速，且現(xiàn)場(chǎng)工程量較小，施工效率高。同時(shí)，F(xiàn)RP 產(chǎn)品更有利于工程的機(jī)械化施工——從工廠制造、運(yùn)輸?shù)绞┕ぁF(xiàn)場(chǎng)裝配等。能更加保證質(zhì)量、增加工效。

（7）對(duì)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理較簡(jiǎn)單，也沒(méi)有引起對(duì)原構(gòu)件的加固破壞。與傳統(tǒng)的固定方式，如加大截面法、纏繞鋼絲、預(yù)應(yīng)力法相比，粘貼FRP 加固混凝土技術(shù)無(wú)須對(duì)原來(lái)的混凝土構(gòu)件打孔穿洞，更省工省力。

（8）其他優(yōu)點(diǎn)：既可使用它抗電磁波、導(dǎo)熱導(dǎo)電性小等優(yōu)點(diǎn)，也可用作特殊場(chǎng)合：雷達(dá)設(shè)備、地磁觀測(cè)站、醫(yī)療設(shè)備等結(jié)構(gòu)。

2 FRP 的研究現(xiàn)狀

FRP 增強(qiáng)技術(shù)首先是在德國(guó)和瑞士發(fā)展起來(lái)的，關(guān)于這些強(qiáng)纖維材料的特點(diǎn)和利用這種材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛性及其他方面的特性，雖然各地的研究方式和研究深度有所不同，但都在實(shí)驗(yàn)上成功并從結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)方面證明了這種增強(qiáng)技術(shù)的可行性。從加固方式與加固功效來(lái)看，由于FRP 是極強(qiáng)且特輕的建筑材料，故對(duì)現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的使用并無(wú)需特殊的使用技術(shù)和設(shè)備，且易于把握、運(yùn)輸、操作和粘于舊結(jié)構(gòu)，因此并沒(méi)有使原構(gòu)件上附加顯著的荷載，其強(qiáng)度也大于一般鋼材。日本研究人員在試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)，使用FRP 結(jié)構(gòu)粘合劑后，開(kāi)裂混凝土的靜載能力可以提高數(shù)倍，偏差可以減少約40%。老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)400 萬(wàn)次重復(fù)荷載后，部件完好無(wú)損。400 h 加速老化試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)也符合要求。在德國(guó)研究人員用FRP粘結(jié)增強(qiáng)混凝土柱的抗剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)以及用CFRP 包裹柱，測(cè)定了其在震害荷載作用下的拉扭、軸向抗壓和抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果顯示FRP 有和鋼筋同樣的抗剪特性，而且效果幾乎隨FRP 軸向的強(qiáng)度而呈直線上升，并超過(guò)了最大值；通過(guò)檢查立柱得知它具有很好的強(qiáng)度、剛度和彈性。保護(hù)層混凝土剪切受拉剝落損傷，是由于鋼筋抗拉強(qiáng)度較小或錨固性長(zhǎng)不夠所致，纖維和鋼筋基體之間的粘結(jié)剝落損傷，是由粘接材料抗拉強(qiáng)度較小或錨固性長(zhǎng)不夠造成的，因此構(gòu)成脆性損傷。一般采用構(gòu)造方法，規(guī)定最小混凝土強(qiáng)度等，以選擇最優(yōu)良粘結(jié)材質(zhì)和提高施工粘結(jié)的質(zhì)量，并通過(guò)機(jī)械錨固來(lái)控制。

3 FRP 加固混凝土的工作原理、適用范圍及基本要求

3.1 工作原理

使用FRP 復(fù)合材料對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)化，F(xiàn)RP與混凝土界面的黏附力能是確保二者共同受力的關(guān)鍵條件。為研究混凝土和FRP 復(fù)合材料之間的界面及粘結(jié)性能，在預(yù)先開(kāi)裂的混凝土柱上的FRP 復(fù)合材料進(jìn)行了加載測(cè)試。初始加載時(shí)，F(xiàn)RP 材料的應(yīng)力值一般較低，但因?yàn)槠鋸椖］^小的原因，F(xiàn)RP 復(fù)合材料應(yīng)力值也相應(yīng)地較低，因此FRP 材料產(chǎn)生應(yīng)力的范圍也僅限制在裂紋附近范圍。隨著增大壓力，混凝土柱裂紋逐漸擴(kuò)大，裂縫周?chē)腇RP 材料應(yīng)力逐漸增加，受力范圍也開(kāi)始向距裂紋中心更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)擴(kuò)展，但仍以裂紋周?chē)芰橹?。繼續(xù)增加對(duì)混凝土受力負(fù)荷，F(xiàn)RP 復(fù)合材料的應(yīng)力值不斷增加，但隨著應(yīng)力值增加，在裂紋周?chē)鶩RP 復(fù)合材料的應(yīng)力增長(zhǎng)速度也呈現(xiàn)了緩慢減少情況，但在距裂紋中心較遠(yuǎn)的片材二端應(yīng)力值仍有增長(zhǎng)。而實(shí)驗(yàn)也表明，此時(shí)FRP 復(fù)合材料的表層混凝土結(jié)構(gòu)已遭受剪切損傷，并出現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，特別在裂紋附近。當(dāng)混凝土的破裂面剪應(yīng)力值大于混凝土抗剪強(qiáng)度后，混凝土和FRP 片層隨即沿?fù)p傷面剝離，其剝離面也從裂紋附近逐漸向脫離裂紋區(qū)發(fā)展，直到整體剝離。因此，F(xiàn)RP 復(fù)合材料對(duì)鋼筋的損傷主要是構(gòu)件表面鋼筋的剪切破壞構(gòu)件所能承受的最大剪切應(yīng)力值主要和鋼筋的強(qiáng)度密切相關(guān)。

3.2 適用范圍及基本要求

目前，F(xiàn)RP 鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)在各種土木工程（建筑物、道路和橋梁、港口、水電站）中有許多成功的例子。這主要解決了結(jié)構(gòu)體系和混凝土構(gòu)件的彎曲、軸壓、大偏心受壓和受拉不能滿足要求的問(wèn)題。使用的基本要求如下：

（1）一定的抗壓性。需要用FRP 加強(qiáng)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須要有一定抗力效果，不然所增加的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不大。要求其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際混凝土強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)在C15 以上，且混凝土表層的正拉粘結(jié)強(qiáng)度也要超過(guò)1.5MPa.而當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)以及規(guī)范都有要求時(shí)，則還應(yīng)當(dāng)符合有關(guān)規(guī)范。

（2）一定的溫度、濕度。施工環(huán)境溫度一般宜滿足膠粘劑及生產(chǎn)應(yīng)用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定。如未作規(guī)定，則一般宜在5～35℃的條件下實(shí)施。由于施工時(shí)的高溫太低會(huì)造成凝固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而環(huán)境溫度過(guò)高也會(huì)造成凝固時(shí)間過(guò)短，而這些因素都會(huì)影響環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn)；從而影響環(huán)氧樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度的發(fā)揮。所以，在冬季嚴(yán)寒條件下，加固工程現(xiàn)場(chǎng)都應(yīng)該做好加溫的輔助措施，以滿足所規(guī)定的施工環(huán)境溫度條件，并優(yōu)先選擇在低溫條件中應(yīng)用的環(huán)氧樹(shù)脂；而在夏季酷暑環(huán)境下，則盡可能選取在氣溫較低的時(shí)候進(jìn)行施工，優(yōu)先選擇夏用的環(huán)氧樹(shù)脂。如達(dá)低于要求的氣溫要求，則應(yīng)當(dāng)中止施工。施工現(xiàn)場(chǎng)空氣相對(duì)濕度宜在90%以內(nèi)。由于環(huán)境濕度大，容易降低纖維片材的粘結(jié)效率，同時(shí)粘結(jié)后易產(chǎn)生空鼓及脫落問(wèn)題。在空氣相對(duì)濕度超過(guò)90%后。特別是在雨雪天氣下或露天施工的地方，更應(yīng)該采用合理方法。而在選擇了適合于潮濕條件下的施工材料后，則可不受其影響。由于碳纖維材料是電子的良導(dǎo)體，而粘貼在纖維復(fù)合材料上的電子膠粘劑通常是高度易燃的，所以在施工過(guò)程中就應(yīng)該格外重視對(duì)消防以及電源、電器等的使用安全性，并且還應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)對(duì)纖維復(fù)合材料做好保護(hù)。

（3）關(guān)注加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用環(huán)境條件。對(duì)于碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須重視電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。在使用鋼索或錨栓加固碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材時(shí)，若碳纖維是陽(yáng)極，則更應(yīng)注意保護(hù)處理，以避免影響耐久性。同時(shí)注意，不能直接將粘附于混凝土結(jié)構(gòu)表面上的玻璃纖維復(fù)合材料直接曝曬在日光或有害介質(zhì)中，以避免因紫外光長(zhǎng)期輻射和高溫影響其耐久性。同時(shí)為了避免在應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)境污染和破壞，要使用對(duì)無(wú)害的防護(hù)材料和膠粘劑防護(hù)表層，以保證可靠的連接強(qiáng)度，并控制變形協(xié)調(diào)。而當(dāng)前，根據(jù)國(guó)外的科學(xué)研究和施工經(jīng)驗(yàn)表明，F(xiàn)RP 補(bǔ)強(qiáng)工藝也可用作在鋼筋混凝：土建筑、磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、竹木結(jié)構(gòu)等建筑中，但要根據(jù)建筑具體情況與加固設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行。

4 FRP 復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

4.1 民用建筑和工業(yè)用房

在一般民用建筑和工業(yè)用房中，主要包括了對(duì)梁、樓板和梁的加強(qiáng)。當(dāng)對(duì)梁進(jìn)行加強(qiáng)的時(shí)候，最主要的功能就是抗折彎和抗剪。FRP 復(fù)合材料的走向與拉鋼筋的軸流式一致，在通常情況下載鋼筋的被拉側(cè)，可以用來(lái)增加鋼筋的承載能力。而根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，只要在建筑梁上沒(méi)有被拉鋼筋材料過(guò)多的超筋柱，在其上再粘貼一層FRP 復(fù)合材料就可以增加30%左右的強(qiáng)度，兩層也可以增加大約40%。在對(duì)鋼板進(jìn)行加固的時(shí)候，因?yàn)閷?duì)鋼板的加固要求比較高，所以利用了保護(hù)層厚度較薄、柔韌性較好的FRP 復(fù)合材料，對(duì)其固定后并不影響外觀。比較理想的支柱加固材質(zhì)是芳綸纖維和玻璃鋼，與碳纖維材質(zhì)相比較，他們二種的彈模更小，延性也比較好，在進(jìn)行了棱角打磨過(guò)的后，在通常情況下都沒(méi)有打磨，能夠節(jié)約不少時(shí)間。

4.2 地鐵、隧道

地下鐵路和隧道通常在地下工作，但其應(yīng)力模式與地下完全不同。它將在洞穴的頂部和側(cè)面承受一定的壓力，并且對(duì)通道也有要求。此外，上海地鐵隧道車(chē)間和側(cè)壁存在大量不規(guī)則裂縫，傳統(tǒng)加固方法在加固時(shí)效果不好，采用芳綸纖維對(duì)其進(jìn)行加固，因?yàn)榉季]纖維能適應(yīng)其各方面的特點(diǎn)，具有良好的導(dǎo)電性和抗剪性。

4.3 煙囪、水塔

煙筒和水塔一般都是向高處發(fā)展，所以在對(duì)其開(kāi)展加固修復(fù)工作的時(shí)候就相對(duì)麻煩，用傳統(tǒng)的加固方式也很難解決，不過(guò)由于FRP 復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)度、耐久耐腐蝕的特性，這些材料都可以對(duì)其發(fā)揮良好的補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。

5 傳統(tǒng)加固方法和FEP 復(fù)合材料加固方法的比較

傳統(tǒng)的加固方式，一般分為擴(kuò)大截面法和貼鋼法。增加截面法也就是利用擴(kuò)大受力體積增加原建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但這個(gè)辦法盡管成本比較低廉，但只是將原構(gòu)件的自身總量增大，內(nèi)部?jī)艨粘潭染拖鄳?yīng)降低，而且工作時(shí)限還相當(dāng)漫長(zhǎng)，具有較大的局限性，所以在如今很多的建筑工程中應(yīng)用得較少。粘鋼法指的是用鋼材對(duì)原混凝土構(gòu)件的變形加以約束，重點(diǎn)是在被密封構(gòu)件的受力外邊緣部位粘結(jié)鋼管，以封堵粘結(jié)部位的裂紋和漏洞。這種補(bǔ)強(qiáng)方式確實(shí)可以增強(qiáng)建筑構(gòu)件的強(qiáng)度和剛性，不過(guò)由于對(duì)鋼材的厚度要求非常嚴(yán)格，在粘貼完成以后縫隙和防腐處理都要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，而且生產(chǎn)成本比較高，所以一般也只使用在強(qiáng)度要求相對(duì)嚴(yán)格的地區(qū)。

6 結(jié)束語(yǔ)

FRP 材料的組成決定了其具有重量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕、耐磨損等特點(diǎn)。上述優(yōu)點(diǎn)有利于FRP 材料在混凝土構(gòu)件加固中的快速發(fā)展，并部分替代鋼筋材料，廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中。然而，由于其材料組成復(fù)雜，組成材料對(duì)不同類型復(fù)合材料的不同物理性能有很大影響。同時(shí)，由于價(jià)格因素，F(xiàn)RP 復(fù)合材料的使用更加頻繁，F(xiàn)RP 品種因不同的施工工藝而層出不窮。因此，應(yīng)在大量實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，制定一套統(tǒng)一的規(guī)范來(lái)衡量不同纖維的不同技術(shù)指標(biāo)，以證明其具有穩(wěn)定性，熱力學(xué)性質(zhì)和良好的耐腐蝕性。