摘要：本文對(duì)國際上采用的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)建筑物新技術(shù)，從復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)、修補(bǔ)原理、原材料選擇、加固施工工藝、加固施工中應(yīng)考慮的問題幾方面闡述，提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)供參考，旨在將此技術(shù)在我國得到進(jìn)一步發(fā)展，更好的應(yīng)用于土木工程建設(shè)中。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，加固，混凝土結(jié)構(gòu)，建筑物

在混凝土加固技術(shù)這門復(fù)雜學(xué)科中，愈來愈對(duì)修復(fù)和維護(hù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出要求。建筑物中最普遍、最常見的破壞就是裂縫。它的產(chǎn)生是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地基變形、施工因素、結(jié)構(gòu)受荷、鋼筋銹蝕、溫濕度變化等多方面原因引起的。隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)已形成了多種修復(fù)方法。
與傳統(tǒng)材料相比，纖維復(fù)合材料在建筑物修補(bǔ)中有以下6點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
1.纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模的特點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)承受動(dòng)靜載荷要求可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；
2.減少維護(hù)成本，增加使用壽命，在自然環(huán)境中，長期使用強(qiáng)度不會(huì)減弱；
3.現(xiàn)場需用設(shè)備及原材料少，不受形狀限制，可保證施工質(zhì)量；
4.施工簡便，施工時(shí)間短，減少交通中斷時(shí)間；
5.增加結(jié)構(gòu)的耐久性、抗斷裂性及抵抗各種腐蝕性能。
6.具有一定的環(huán)保意義。
此方法作為國際上補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的新技術(shù)，在美國、日本等國家已得到應(yīng)用。主要用于橋梁、鐵路、高速公路、機(jī)場、港口、電站及民用住宅等修復(fù)。
一、技術(shù)原理
將浸漬膠液的增強(qiáng)材料粘貼在要修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)上，形成一個(gè)新的復(fù)合體。在共同受力中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪能力，提高其強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性。使構(gòu)件受荷載時(shí)，裂縫被"分散"成短小而細(xì)碎的裂縫并均勻地分散于構(gòu)件的受拉區(qū)，使構(gòu)件截面受壓區(qū)高度增大，增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力。特別是采用碳纖維片加固，由于碳纖維的高強(qiáng)度、高彈性模量性能，可以有效地約束的側(cè)向變形，提高加固物的強(qiáng)度和韌性，提高其抗震性能。
二、    原材料選擇
工程上生產(chǎn)與應(yīng)用的纖維復(fù)合材料主要由2部分材料組成：增強(qiáng)材料和基體材料。
(一)增強(qiáng)材料
增強(qiáng)材料主要以玻璃纖維織物、碳纖維織物、玻璃纖維、碳纖維等材料為主。增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中起到承受外載的能力，提供強(qiáng)度與剛度。
其中玻璃纖維織物早在七十年代就有應(yīng)用，施工中采用手糊方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而國外又將纖維制成單向預(yù)浸紗帶（單向片材）見圖1，除發(fā)揮纖維本身性能外，更便于現(xiàn)場靈活施工。

圖1單向預(yù)浸紗帶采用熱熔預(yù)浸工藝流程圖
表1列出部分纖維復(fù)絲拉伸性能，僅供使用此方法的科技人員根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)參考選擇。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用《GB/T3362-2005碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，玻璃纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)定參照此方法進(jìn)行。

注：1200Tex為玻璃纖維，其余均為碳纖維。
(二)基體材料
基體材料在纖維復(fù)合材料中起到傳遞力的作用，其斷裂延伸率要高于增強(qiáng)材料。
用于混凝土加固技術(shù)的纖維復(fù)合材料基體材料主要以環(huán)氧樹脂體系為主。通過增加助劑（增韌劑、橡膠等）來提高其黏附性、抗裂性和結(jié)構(gòu)延展性等性能，以滿足使用要求。樹脂體系材料的選擇是否滿足要求需從如下幾方面考察。
1.樹脂體系反應(yīng)活性曲線
可利用DSC（差示掃描量熱儀）測(cè)得樹脂體系的反應(yīng)活性曲線。通過對(duì)反應(yīng)峰峰始溫度、峰值溫度、峰終溫度、反應(yīng)放熱量的掌握，確定固化條件。
2.樹脂體系反應(yīng)時(shí)間
樹脂體系的反應(yīng)時(shí)間主要是指樹脂在工作環(huán)境中使用時(shí)間及凝膠時(shí)間。這兩項(xiàng)反映了樹脂體系的活性和適用性，以便根據(jù)不同的使用溫度和條件，調(diào)整樹脂體系配方。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與方法采用《GB/T12007.7-1989環(huán)氧樹脂凝膠時(shí)間測(cè)測(cè)定方法》，《JC/T774-2004預(yù)浸料凝膠試驗(yàn)方法》。
3.樹脂體系固化度
樹脂體系固化度隨溫度、時(shí)間而變化，一般是溫度高，固化度會(huì)提高，樹脂體系的黏度會(huì)增大。固化度在90%以上的樹脂體系適合纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固應(yīng)用。
4.樹脂體系力學(xué)性能
將適合的環(huán)氧樹脂體系制成澆鑄體，測(cè)其力學(xué)性能如表2所示：
表2環(huán)氧樹脂體系澆鑄體力學(xué)性能


三、施工工藝
復(fù)合材料加固施工工藝為：表面處理→膠泥填補(bǔ)裂縫→硬化養(yǎng)護(hù)→修補(bǔ)找平→涂專用接著樹脂→貼復(fù)合材料→脫泡處理→涂專用接著樹脂→表面處理。
復(fù)合材料根據(jù)選擇的樹脂體系不同，其加固施工工藝過程也有所不同。樹脂體系的選擇基本分為常溫（環(huán)境溫度）固化樹脂體系和超常溫（環(huán)境溫度無法固化）固化樹脂體系兩種。
采用常溫固化樹脂體系中，增強(qiáng)材料為織物的，在上述工藝流程中貼復(fù)合材料這一步可在施工現(xiàn)場進(jìn)行，采用復(fù)合材料中常用的手糊工藝，達(dá)到設(shè)計(jì)所需厚度。若采用預(yù)浸紗帶的可在施工現(xiàn)場鋪放預(yù)浸紗帶達(dá)到所需厚度。此方法適用于形狀復(fù)雜的補(bǔ)強(qiáng)加固中。
超常溫固化樹脂體系，通常使用在強(qiáng)度、剛度要求特別高的修補(bǔ)加固中。在上述工藝流程中貼復(fù)合材料這一步中，是將預(yù)浸紗帶預(yù)先制成高強(qiáng)度的復(fù)合材料板材，現(xiàn)場施工中直接使用膠粘劑粘貼在需要補(bǔ)強(qiáng)加固的部位。預(yù)浸紗帶通常選用高性能纖維。
四、加固施工中應(yīng)考慮的問題
在討論這些問題前，首先給出一些單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂平板的性能測(cè)試數(shù)據(jù)，見表3。
表3單向纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂平板性能

(一)強(qiáng)度方面的考慮
混凝土建筑物補(bǔ)強(qiáng)加固的目的是能夠長期保持建筑物正常工作。要達(dá)到這一點(diǎn)，首先計(jì)算出補(bǔ)強(qiáng)加固建筑物的承載強(qiáng)度，測(cè)定復(fù)合材料的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)。假設(shè)兩者強(qiáng)度一致，計(jì)算出復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固截面積。
                                                         
式中：F—承受載荷，單位N。
(二)彈性模量方面的考慮
彈性模量是體現(xiàn)剛度的重要指標(biāo)，即抵抗變形的能力。混凝土建筑物與復(fù)合材料之間的彈性模量存在差異。若考慮受拉變形一致，則有如下等式：
纖維復(fù)合材料拉伸彈性模量為：

式中：E—拉伸彈性模量，單位GPa；
∆P—載荷增量，（截取于載荷、—變形曲線的直線段），單位N；
L—試樣標(biāo)距，單位mm；
∆l—標(biāo)距內(nèi)對(duì)應(yīng)于∆P的變形增量，單位mm；
S—承載截面積，單位cm2。
纖維復(fù)合材料截面積為：
                                                        
通過兩種方法計(jì)算的纖維復(fù)合材料截面積基本是一致的，若存在差異取較大值。
(三)膠結(jié)面的抗剪切強(qiáng)度的考慮
膠結(jié)面的抗剪切強(qiáng)度可通過粘接件剪切試驗(yàn)直接考察。需要考察的粘接面為：混凝土建筑物/混凝土建筑物；混凝土建筑物/膠粘劑。膠自身的抗剪切強(qiáng)度。
(四)溫度應(yīng)力的考慮
環(huán)境溫度的變化對(duì)于建筑物來說是一種較為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，在復(fù)合材料修補(bǔ)加固中也應(yīng)考慮此項(xiàng)內(nèi)容，則混凝土拉應(yīng)力為：

式中：α1—建筑物線膨脹系數(shù)；
α2—復(fù)合材料線膨脹系數(shù)；
∆t1、∆t2—環(huán)境溫度差。
(五)修補(bǔ)加固后模擬試驗(yàn)
通過載荷試驗(yàn)，分析實(shí)際受力情況，檢驗(yàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修補(bǔ)加固混凝土建筑物的實(shí)際使用效果。
試驗(yàn)通過粘貼應(yīng)變片，測(cè)試載荷、撓度、應(yīng)變、形變等項(xiàng)目，通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線；應(yīng)力—時(shí)間曲線；應(yīng)變—時(shí)間曲線；各界面的縱、橫載荷—撓度曲線；全面考察纖維復(fù)合材料的修補(bǔ)加固效果。
五、結(jié)論
我國擁有巨大的建筑市場，在近百億平方米的建筑物、大量的構(gòu)筑物、隧道、橋梁以及涵洞結(jié)構(gòu)中，混凝土結(jié)構(gòu)占有非常大的份額，而許多這類結(jié)構(gòu)由于長期使用、老化、意外事故、設(shè)計(jì)原因以及施工缺陷等因素，造成結(jié)構(gòu)開裂、安全性能降低、抗震性能減弱、承載力不足等問題，急需有效、耐用、施工簡便的高新材料及加固修補(bǔ)的施工技術(shù)。這是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)問題,也是建筑工程中急需研究的重大課題，具有極大的研究推廣應(yīng)用價(jià)值及潛在的巨大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。希望在我國復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)建筑物技術(shù)能夠得到進(jìn)一步研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
1、姜亞明，劉良森，葉雪康《建筑物補(bǔ)強(qiáng)材料用經(jīng)編單軸向碳纖維織物》針織工業(yè)2004（3）
2、張佐光《建筑物加固修復(fù)用復(fù)合材料技術(shù)》復(fù)合材料學(xué)報(bào)2001（1）