复合材料补强加固混凝土建筑物技术

　　摘要：本文对国际上采用的复合材料补强加固混凝土结构建筑物新技术，从复合材料的优势、修补原理、原材料选择、加固施工工艺、加固施工中应考虑的问题几方面阐述，提供试验数据供参考，旨在将此技术在我国得到进一步发展，更好的应用于土木工程建设中。
关键词：复合材料，加固，混凝土结构，建筑物

在混凝土加固技术这门复杂学科中，愈来愈对修复和维护基础结构提出要求。建筑物中最普遍、最常见的破坏就是裂缝。它的产生是由于结构设计、地基变形、施工因素、结构受荷、钢筋锈蚀、温湿度变化等多方面原因引起的。随着新材料的不断涌现，现已形成了多种修复方法。
与传统材料相比，纤维复合材料在建筑物修补中有以下6点优势：
1.纤维复合材料，特别是碳纤维复合材料具有高比强、高比模的特点，对于结构承受动静载荷要求可进行优化设计；
2.减少维护成本，增加使用寿命，在自然环境中，长期使用强度不会减弱；
3.现场需用设备及原材料少，不受形状限制，可保证施工质量；
4.施工简便，施工时间短，减少交通中断时间；
5.增加结构的耐久性、抗断裂性及抵抗各种腐蚀性能。
6.具有一定的环保意义。
此方法作为国际上补强加固混凝土结构建筑物的新技术，在美国、日本等国家已得到应用。主要用于桥梁、铁路、高速公路、机场、港口、电站及民用住宅等修复。
一、技术原理
将浸渍胶液的增强材料粘贴在要修补的结构上，形成一个新的复合体。在共同受力中，增强结构的抗拉、抗剪能力，提高其强度、刚度、耐腐蚀性。使构件受荷载时，裂缝被"分散"成短小而细碎的裂缝并均匀地分散于构件的受拉区，使构件截面受压区高度增大，增强构件的承载能力。特别是采用碳纤维片加固，由于碳纤维的高强度、高弹性模量性能，可以有效地约束的侧向变形，提高加固物的强度和韧性，提高其抗震性能。
二、    原材料选择
工程上生产与应用的纤维复合材料主要由2部分材料组成：增强材料和基体材料。
(一)增强材料
增强材料主要以玻璃纤维织物、碳纤维织物、玻璃纤维、碳纤维等材料为主。增强材料在复合材料中起到承受外载的能力，提供强度与刚度。
其中玻璃纤维织物早在七十年代就有应用，施工中采用手糊方式。随着科学技术的发展，而国外又将纤维制成单向预浸纱带（单向片材）见图1，除发挥纤维本身性能外，更便于现场灵活施工。

图1单向预浸纱带采用热熔预浸工艺流程图
表1列出部分纤维复丝拉伸性能，仅供使用此方法的科技人员根据设计指标参考选择。测试标准采用《GB/T3362-2005碳纤维复丝拉伸性能试验方法》，玻璃纤维复丝拉伸性能测定参照此方法进行。

注：1200Tex为玻璃纤维，其余均为碳纤维。
(二)基体材料
基体材料在纤维复合材料中起到传递力的作用，其断裂延伸率要高于增强材料。
用于混凝土加固技术的纤维复合材料基体材料主要以环氧树脂体系为主。通过增加助剂（增韧剂、橡胶等）来提高其黏附性、抗裂性和结构延展性等性能，以满足使用要求。树脂体系材料的选择是否满足要求需从如下几方面考察。
1.树脂体系反应活性曲线
可利用DSC（差示扫描量热仪）测得树脂体系的反应活性曲线。通过对反应峰峰始温度、峰值温度、峰终温度、反应放热量的掌握，确定固化条件。
2.树脂体系反应时间
树脂体系的反应时间主要是指树脂在工作环境中使用时间及凝胶时间。这两项反映了树脂体系的活性和适用性，以便根据不同的使用温度和条件，调整树脂体系配方。测试标准与方法采用《GB/T12007.7-1989环氧树脂凝胶时间测测定方法》，《JC/T774-2004预浸料凝胶试验方法》。
3.树脂体系固化度
树脂体系固化度随温度、时间而变化，一般是温度高，固化度会提高，树脂体系的黏度会增大。固化度在90%以上的树脂体系适合纤维复合材料补强加固应用。
4.树脂体系力学性能
将适合的环氧树脂体系制成浇铸体，测其力学性能如表2所示：
表2环氧树脂体系浇铸体力学性能


三、施工工艺
复合材料加固施工工艺为：表面处理→胶泥填补裂缝→硬化养护→修补找平→涂专用接着树脂→贴复合材料→脱泡处理→涂专用接着树脂→表面处理。
复合材料根据选择的树脂体系不同，其加固施工工艺过程也有所不同。树脂体系的选择基本分为常温（环境温度）固化树脂体系和超常温（环境温度无法固化）固化树脂体系两种。
采用常温固化树脂体系中，增强材料为织物的，在上述工艺流程中贴复合材料这一步可在施工现场进行，采用复合材料中常用的手糊工艺，达到设计所需厚度。若采用预浸纱带的可在施工现场铺放预浸纱带达到所需厚度。此方法适用于形状复杂的补强加固中。
超常温固化树脂体系，通常使用在强度、刚度要求特别高的修补加固中。在上述工艺流程中贴复合材料这一步中，是将预浸纱带预先制成高强度的复合材料板材，现场施工中直接使用胶粘剂粘贴在需要补强加固的部位。预浸纱带通常选用高性能纤维。
四、加固施工中应考虑的问题
在讨论这些问题前，首先给出一些单向纤维增强环氧树脂平板的性能测试数据，见表3。
表3单向纤维增强环氧树脂平板性能

(一)强度方面的考虑
混凝土建筑物补强加固的目的是能够长期保持建筑物正常工作。要达到这一点，首先计算出补强加固建筑物的承载强度，测定复合材料的各项强度指标。假设两者强度一致，计算出复合材料补强加固截面积。
                                                         
式中：F—承受载荷，单位N。
(二)弹性模量方面的考虑
弹性模量是体现刚度的重要指标，即抵抗变形的能力。混凝土建筑物与复合材料之间的弹性模量存在差异。若考虑受拉变形一致，则有如下等式：
纤维复合材料拉伸弹性模量为：

式中：E—拉伸弹性模量，单位GPa；
∆P—载荷增量，（截取于载荷、—变形曲线的直线段），单位N；
L—试样标距，单位mm；
∆l—标距内对应于∆P的变形增量，单位mm；
S—承载截面积，单位cm2。
纤维复合材料截面积为：
                                                        
通过两种方法计算的纤维复合材料截面积基本是一致的，若存在差异取较大值。
(三)胶结面的抗剪切强度的考虑
胶结面的抗剪切强度可通过粘接件剪切试验直接考察。需要考察的粘接面为：混凝土建筑物/混凝土建筑物；混凝土建筑物/胶粘剂。胶自身的抗剪切强度。
(四)温度应力的考虑
环境温度的变化对于建筑物来说是一种较为严峻的考验。因此，在复合材料修补加固中也应考虑此项内容，则混凝土拉应力为：

式中：α1—建筑物线膨胀系数；
α2—复合材料线膨胀系数；
∆t1、∆t2—环境温度差。
(五)修补加固后模拟试验
通过载荷试验，分析实际受力情况，检验纤维增强复合材料修补加固混凝土建筑物的实际使用效果。
试验通过粘贴应变片，测试载荷、挠度、应变、形变等项目，通过应力—应变曲线；应力—时间曲线；应变—时间曲线；各界面的纵、横载荷—挠度曲线；全面考察纤维复合材料的修补加固效果。
五、结论
我国拥有巨大的建筑市场，在近百亿平方米的建筑物、大量的构筑物、隧道、桥梁以及涵洞结构中，混凝土结构占有非常大的份额，而许多这类结构由于长期使用、老化、意外事故、设计原因以及施工缺陷等因素，造成结构开裂、安全性能降低、抗震性能减弱、承载力不足等问题，急需有效、耐用、施工简便的高新材料及加固修补的施工技术。这是一个可持续发展的社会问题,也是建筑工程中急需研究的重大课题，具有极大的研究推广应用价值及潜在的巨大社会、经济效益。希望在我国复合材料补强加固混凝土结构建筑物技术能够得到进一步研究、开发和推广应用。
参考文献：
1、姜亚明，刘良森，叶雪康《建筑物补强材料用经编单轴向碳纤维织物》针织工业2004（3）
2、张佐光《建筑物加固修复用复合材料技术》复合材料学报2001（1）