竹纖維混凝土結(jié)構(gòu)加固方法的分析

戚宇涵，盧　平

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 23002)

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竹纖維混凝土結(jié)構(gòu)加固方法的分析

戚宇涵，盧平

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 23002)

摘要：混凝土加固技術(shù)作為新興技術(shù)之一，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，取得良好的效果與廣泛的應(yīng)用場合。本文在結(jié)合現(xiàn)有幾種混凝土加固技術(shù)的前提下，著重介紹了竹纖維混凝土的基本情況與力學(xué)性能，并對這一材料的發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景作出討論。舉例論證了竹纖維混凝土在實(shí)際運(yùn)用中的優(yōu)勢，為未來該材料進(jìn)一步的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和分析。

關(guān)鍵詞：混凝土加固;竹纖維混凝土;力學(xué)性能;工程技術(shù)

0引言

混凝土是現(xiàn)代工程中的一種主要的建筑材料，具有原料豐富，成本低廉，抗壓程度較高并且生產(chǎn)方法簡單等諸多特點(diǎn)。我國經(jīng)過長時(shí)期大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)高峰之后，混凝土結(jié)構(gòu)老化及后期的維護(hù)修補(bǔ)等問題將日益突出，對混凝土結(jié)構(gòu)的加固和防護(hù)已成為建筑領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。對混凝土結(jié)構(gòu)采取有效加固和防護(hù)技術(shù)，以恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，抵御環(huán)境對混凝土的侵蝕，對保證并提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。而在混凝土中摻入一定的比例的無機(jī)纖維，有機(jī)纖維，都會給予混凝土優(yōu)異的力學(xué)性能，起到加固作用。但是，在考慮結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，還需兼顧材料的經(jīng)濟(jì)性，綠色環(huán)保性及可持續(xù)發(fā)展性[3]。竹纖維是一種抗拉強(qiáng)度高，變形能力好的植物纖維，同時(shí)還具有來料便捷，成本低廉，生產(chǎn)能耗低且無污染等優(yōu)勢，將其與混凝土結(jié)合具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。[4]

長期以來，我國研究人員為研究竹纖維混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行了大量的科研工作。張志等對竹纖維增強(qiáng)塑料預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎折試驗(yàn)，解決了固定預(yù)應(yīng)力筋的夾具問題，證實(shí)竹纖維增強(qiáng)塑料預(yù)應(yīng)力筋凝土的抗彎性能是素混凝土的約 5 倍，可以滿足工程的要求[5]；王賢棟等通過對竹鋼混雜纖維混凝土進(jìn)行抗沖擊實(shí)驗(yàn)，證明了該材料具有更強(qiáng)的抗沖擊性能[6]。陳翔等通過對竹纖維混凝土墻板進(jìn)行抗拉實(shí)驗(yàn)，證明了竹纖維在延緩開裂破壞方面具有一定效果[7]?？傊?，竹纖維混凝土潛在的優(yōu)勢，日益得到關(guān)注．但是目前還有許多急需解決的問題，還有待更進(jìn)一步的研究和探討[8-10]。

1常見混凝土加固方法

1.1加大截面法

加大截面法考慮構(gòu)件的受力特點(diǎn)，通過加大截面來達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載力的目的。這一方法施工技術(shù)成熟，簡單，沒有使用太多化學(xué)材料因此耐久性和穩(wěn)定性較好。適用范圍較廣，對于梁，板，柱，墻等都適用。

但加大截面增大了剛度，對抗震效果會有不利影響。其次施工量變大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長，加長了工期。對于抗震要求較高的建筑一般不采用[11]。

1.2預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿或者撐桿對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。這一方法通過增加受力，改變原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，使后加部分能夠和原有構(gòu)件一起工作，提高結(jié)構(gòu)的總體承載力。這一方法增加主筋，提高截面的承載力，能消除或減緩應(yīng)力滯后現(xiàn)象，使得被加固的結(jié)構(gòu)能夠有效地進(jìn)行整體受力。

預(yù)應(yīng)力加固法適用于大跨度結(jié)構(gòu)的加固以及一些已有較大變形的大型結(jié)構(gòu)加固，其缺點(diǎn)在于施工程序較為復(fù)雜，不適合用于中小型結(jié)構(gòu)的加固，對設(shè)備的要求也較高。

1.3粘剛加固法

粘剛加固法是在結(jié)構(gòu)的正截面和受壓區(qū)進(jìn)行粘剛加固。這一方法使構(gòu)件能夠很好的相互協(xié)調(diào)作用，在基本不增大截面的情況下提高結(jié)構(gòu)的承載力，增大延性以及剛度，適用于混凝土柱，房架等不增大截面尺寸的情況下要求提高承載力的結(jié)構(gòu)。

粘剛加固法的缺點(diǎn)在于費(fèi)用較高，整體的工作量也較大，適用范圍小等，不適宜廣泛使用。

1.4碳纖維加固法

碳纖維材料強(qiáng)度高，質(zhì)地輕，耐疲勞，耐腐蝕。因此用于混凝土結(jié)構(gòu)加固時(shí)可以阻止混凝土結(jié)構(gòu)的變形，能提高結(jié)構(gòu)承載力以及延性。在實(shí)際的工程中，碳纖維有效的減小了結(jié)構(gòu)應(yīng)變，增大了配筋率，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，盡量的避免了裂縫的出現(xiàn)。被廣泛應(yīng)用于各種混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)，建筑物梁、柱、樓板結(jié)構(gòu)等等。

但是碳纖維材料的力學(xué)特點(diǎn)僅在建筑物受拉后才發(fā)揮，強(qiáng)度利用率不高，加固效果不顯著。尤其對于自重較大的結(jié)構(gòu)，在加固時(shí)雖已卸除活荷載，但結(jié)構(gòu)仍存在較大的初始應(yīng)力，而碳纖維加固材料是在加固以后才開始受力，碳纖維的應(yīng)力、應(yīng)變始終滯后于原結(jié)構(gòu)的累計(jì)應(yīng)力和應(yīng)變，即必須考慮被加固構(gòu)件的二次受力問題，這又進(jìn)一步影響了碳纖維布的強(qiáng)度發(fā)揮[12-13]。

在現(xiàn)有的工程技術(shù)中，混凝土加固基本分為兩個(gè)方面：對已有的建筑和結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)與加固，增加建筑物的穩(wěn)定性和強(qiáng)度；或是加強(qiáng)混凝土這一材料的力學(xué)性能以期提高建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用年限，穩(wěn)定性等方面。相比而言，在開始之初就使用更高強(qiáng)度，更佳性能的材料進(jìn)行工程建設(shè)更有意義，這是因?yàn)檫M(jìn)行加固之后，新舊結(jié)構(gòu)總有受力不均以及滯后效應(yīng)等諸多問題。這就意味著，增強(qiáng)材料本身的性能更有實(shí)際效果。

2竹纖維混凝土加固方法分析

2.1竹纖維混凝土的性能

近年來隨著對建筑材料研究的不斷深入，混凝土這一傳統(tǒng)建筑材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)一步凸顯出來?；炷帘旧砟途眯愿?，制作簡單，適用范圍廣，強(qiáng)度較高，抗壓性能高。但與之相對應(yīng)的抗拉性能常不能滿足建筑上的要求。此外，混凝土在產(chǎn)生裂縫之后不能很好的承受荷載，常常導(dǎo)致坍塌[14]。因此，在混凝土中添加一定比例的竹纖維可以有效的提高混凝土的抗拉性，減少或延緩裂縫產(chǎn)生及危害[15]。

竹纖維混凝土是以普通混凝土材料為基材，將竹纖維作為增強(qiáng)材料而組成的一種復(fù)合材料。在基材中加入竹纖維這一抗拉強(qiáng)度高，延展性好，耐腐蝕的增強(qiáng)材料有助于混凝土整體抗拉力學(xué)性能的提升，也能使材料更耐腐蝕。竹纖維能夠阻止混凝土中原有微裂縫的發(fā)展并且延緩新裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土的變形能力使其能在較多裂縫時(shí)繼續(xù)承受部分荷載不被破壞，改善混凝土抗沖擊性能。此外，竹纖維的來源廣，價(jià)格較低，取自天然材料無毒無害，滿足了對建筑節(jié)能與環(huán)保的要求，有利于環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展[16-17]。

2.2研究動態(tài)

了解竹纖維混凝土在工程方面的用途及其影響因素對認(rèn)識到研究的重要性有重要的意義：在實(shí)際工程中，建筑體將會承受較大的荷載，外力荷載會緩慢導(dǎo)致基體開裂，破壞建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)基體開裂后，基體內(nèi)的竹纖維成為外力的主要承擔(dān)者，在微觀上阻止了繼續(xù)開裂，優(yōu)化了力學(xué)性能。從而竹纖維混凝土是一種優(yōu)良的建筑材料，可以用于實(shí)際工程中。

由于竹纖維混凝土的性能受竹材種類，添加數(shù)量，有無其他添加材料等多種因素的影響，所以一般通過控制變量進(jìn)行對比試驗(yàn)的方法來描述各因素對竹纖維混凝土性能的影響。

竹纖維的本質(zhì)是植物纖維的一種，在二十世紀(jì)初，纖維混凝土這一材料開始進(jìn)入人們的視線范圍。但是過去的研究主要集中在了鋼纖維，玻璃纖維，碳纖維等纖維材料。這些材料雖然能在一定程度上提高混凝土的強(qiáng)度與抗拉性能，但由于其成本較高，工藝較復(fù)雜，不適用于大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)等原因，植物纖維的研究才逐漸的深入了起來。目前，國內(nèi)外主要的研究方向?yàn)椋哼x取進(jìn)過預(yù)處理的竹纖維作為摻和料與普通混凝土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)對比，在宏觀方面研究混凝土的抗拉，抗剪，抗扭力學(xué)性能；在微觀方面研究增強(qiáng)機(jī)理，邊界效應(yīng)，竹纖維在混凝土內(nèi)部的分布等諸多方向[18-19]。

2.3工程實(shí)例

成都市地鐵四號線是成都地鐵東西方向的主干線，于2011年12月正式投入建設(shè)，全長達(dá)到41.7千米，投資約為202.6億元，該線路具有安全，高效，環(huán)保，快捷等優(yōu)勢，是緩解城市交通擁擠的主要途徑，對帶動周邊發(fā)展，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)有重大意義。

由于成都市位于四川省，地處地震易發(fā)地帶，工程建設(shè)中必須考慮結(jié)構(gòu)體的抗震、抗裂能力。由于對地下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及抗裂性能的要求，傳統(tǒng)的混凝土因使用中易開裂以及支護(hù)強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)不能很好的應(yīng)用在地下建設(shè)中。工程經(jīng)過試驗(yàn)之后采用了混凝土中加入竹纖維以起到與混凝土形成統(tǒng)一受力體共同受力的辦法來提高了安全性。竹纖維混凝土的應(yīng)用不僅滿足了該地鐵項(xiàng)目對地下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗裂的要求，而且竹纖維比起鋼纖維材料更具經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了工程項(xiàng)目中的成本。

合肥市新橋國際機(jī)場開工與2008年12月，竣工于2013年1月。總投資約為38億元，是安徽省承東啟西，連接省內(nèi)外交通的重要樞紐。在建設(shè)機(jī)場起降的滑行跑道的過程中，工程人員充分考慮到了施工要求，選擇了竹、鋼纖維混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土鋪設(shè)跑道路面。這一舉措有效的緩解了飛機(jī)在起降過程中對道面的拉、壓力，作為主要材料的竹、鋼纖維混凝土具有良好的抗拉、抗沖擊性能，早期強(qiáng)度也較好，有效的減少了鋪設(shè)道面的工期。

2.4優(yōu)點(diǎn)分析

在混凝土中添加預(yù)處理的竹纖維并與一般材料進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)混凝土材料的抗拉性能有了顯著的提高。添加竹纖維之后，混凝土開裂的部位由于纖維的有效支撐作用，原本開裂的部分被纖維阻斷，這有效的延緩了混凝土的開裂與裂縫的繼續(xù)擴(kuò)大。這是由于竹纖維在混凝土中亂向分布，增強(qiáng)了混凝土的整體強(qiáng)度。與普通混凝土相比，竹纖維混凝土的變形性能明顯改善，物理耐久性提高。研究中同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，竹纖維混凝土相對傳統(tǒng)材料來說有更好的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)代材料中對綠色，環(huán)保，健康的要求。

竹纖維可以顯著提高混凝土的抗拉，抗沖擊，抗腐蝕性能。竹纖維本身作為植物材料的一種，能夠與混凝土材料很好的相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中。竹纖維混凝土這一建筑材料原材料來源廣泛，制作工藝簡單，綠色健康環(huán)保。隨著相關(guān)理論的不斷深入，竹纖維混凝土材料的高性價(jià)比與可觀的應(yīng)用前景將會在更多的實(shí)際工程中展現(xiàn)出來[19-21]。

3結(jié)論與展望

由于現(xiàn)代工程技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各類材料，理論，計(jì)算機(jī)軟件的不斷進(jìn)步，混凝土這一傳統(tǒng)建筑材料有著更加廣闊的發(fā)展空間。不斷創(chuàng)新的混凝土加固技術(shù)在解決著新世紀(jì)建筑材料問題的同時(shí)也證明了自己擁有很可觀的應(yīng)用前景：隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的深入，一些年限已久的建筑經(jīng)過加固既可以保證安全，降低建設(shè)成本，又能夠節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會要求。以竹纖維混凝土為代表的新型混凝土不僅具備良好的力學(xué)性能，抗拉抗壓能力強(qiáng)，而且其原材料來源廣泛，制作過程綠色健康，擁有很高的性價(jià)比。隨著這一技術(shù)的深入發(fā)展，竹纖維混凝土一定能夠發(fā)揮出更大的實(shí)用價(jià)值

參考文獻(xiàn)

1潘峰.混凝土加固方法及配合使用選則[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

2張小冬,黃瑩,趙霄龍,等.混凝土結(jié)構(gòu)加固與防護(hù)材料現(xiàn)狀和展望[J].建筑科學(xué)，2013,29(11):120-125.

3周鑫,王鈞,李論.木質(zhì)纖維和竹纖維在混凝土中的應(yīng)用前景[J].山西建筑，2014,40(7):120-122.

4張昌.竹纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究與耐久性分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

5張志,蔡敏.竹纖維增強(qiáng)塑料預(yù)應(yīng)力混凝土的試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā), 2007, 34(2):38-39.

6王賢棟,張昌,黃真,等.竹鋼混雜纖維混凝土的抗沖擊性能試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2013，21(10)：48-50.

7陳翔，張小軍，賀冉.竹纖維混凝土墻板的試驗(yàn)研究[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,21(3)：11-14.

8李玉飛.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用[J].山西建筑，2014,40(3)：48-49.

9魯良輝，代國忠，施維成.碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析[J].施工技術(shù)，2013,42(22)：55-57.

10李超飛，蘇有文，陳國平.植物纖維混凝土的研究現(xiàn)狀[J].混凝土，2013,24(5)：55-56+61.

11沙權(quán)賢.碳纖維材料加固橋梁混凝土施工技術(shù)[J].混凝土，2013,24(8)：154-157.

12張偉平,王曉剛,顧祥林.碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010,43(6):34-41.

13鄧宗才，高性能合成纖維混凝土[M].科學(xué)出版社，2003.

14Humberto C. Lima, Fabio L. Willrich, Normando P. Barbosa,etc. Durability analysis of bamboo as concrete reinforcement[J].Materials and Structures, 2008, 41(5): 981-989.

15劉冬.高性能混合纖維混凝土力學(xué)性能研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2010.

16徐輝，植物纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能研究[D].南京水利科學(xué)研究院，2006.

17劉豫,張曉玲,李小雷,等.竹纖維/水泥復(fù)合材料力學(xué)性能和耐久性的試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 31(1): 104-108.

18R.Kalfat，R.Al-Mahaidi.Experimental investigation into the size effect of bidirectional fiber patch anchors in strengthening of concrete structure[J].Composite Structures：2014,10(2)：134-145.

19S. Y. Kute，M. R. Wakchaure .Performance evaluation for enhancement of some of the engineering properties of bamboo as reinforcement in concrete[J]. Journal of The Institution of Engineers：2014,8(11)：235-242.

20Atul Agarwal，Bharadwaj Nanda，Damodar Maity.Experimental investigation on chemically treated bamboo reinforced concrete beams and columns[J].Construction and Building Materials，2014,71(30)：610-617.

21J.G. Moroz，S.L. Lissel，M.D. Hagel.Performance of bamboo reinforced concrete masonry shear walls[J]. Construction and Building Materials:2014,61(30):125-137.

Analysis of the Strengthening of Bamboo Fiber Reinforced Concrete Structure

QI Yuhan, LU Ping

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University , Hefei,230022,China)

Abstract:As one of the emerging technologies, concrete reinforcement technology has been widely used in practical engineering, and achieved good results. In this paper, the basic situation and mechanical properties of bamboo fiber reinforced concrete are introduced, and the development and application of this material are discussed. The advantages of bamboo fiber reinforced concrete in practical application are demonstrated, which provides theoretical basis and analysis for the further development of this material in the future.

Key words:strengthening of concrete; bamboo fiber reinforced concrete; performance of mechanics; technology of engineering

收稿日期：2015-09-05

作者簡介：戚宇涵(1992-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150608

中圖分類號：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)06-038-04