纖維復合材料加固混凝土結構的研究進展

李炳奇，周月霞

(中國水利水電科學研究院， 北京 100038)

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纖維復合材料加固混凝土結構的研究進展

李炳奇，周月霞

(中國水利水電科學研究院， 北京 100038)

摘要：纖維復合材料(FRP)以其輕質(zhì)、高強、抗腐蝕能力強、耐疲勞、減震性能好等諸多優(yōu)點被廣泛運用到土木、建筑工程結構加固中。結合國內(nèi)外復合材料加固混凝土技術的進展，論述了約束混凝土的本構模型，加固混凝土結構的極限承載力、耐久性、抗震性以及纖維復合材料加固混凝土結構的機理等。并且闡述了纖維復合材料加固混凝土柱的機理。最后，論述了一種新的可用于碳纖維加固混凝土結構的粘結材料—聚脲彈性涂層，可以有效改善混凝土柱構件的承載能力、耐久性及抗震性能等。

關鍵詞：FRP；PVC-FRP；聚脲；本構模型；抗震性

工程質(zhì)量維系著人們的生命財產(chǎn)安全，隨著經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，工程質(zhì)量問題越來越受關注。美國等發(fā)達國家的建筑物大多修建于二十世紀五六十年代，目前一部分結構出現(xiàn)老化、不滿足正常使用等問題。近年來，我國的土木建筑結構耐久性不足的現(xiàn)象也逐漸凸顯。若將所有強度和耐久性不滿足要求的結構推倒重建將會花費大量的時間和金錢，故混凝土結構的修復和加固成為目前國內(nèi)外土木工程界亟需解決的課題。傳統(tǒng)的混凝土結構加固方法有增大截面法、粘鋼加固法、預應力加固法、外包鋼法等[1]，上述混凝土結構修補加固方法存在眾多的局限性，如增加結構自重、施工不便、施工質(zhì)量難以保證、不能有效地改善結構的耐久性等。

纖維復合材料以其輕質(zhì)、高強、耐疲勞等優(yōu)點，受到土木工程界的青睞[2]。纖維復合材料種類較多，目前，碳纖維復合材料(CFRP)被廣泛應用于混凝土結構加固中。每種材料的力學特性相差甚大，不同種類纖維復合材料的力學特性見圖1[3]。

鑒于FRP種類較多，物理、力學性能相差較大，故FRP加固技術適用范圍廣，可以用于不同的混凝土結構及結構的不同部位。FRP加固技術施工速度快、操作簡單，加固效率高；FRP質(zhì)量密度小，對原有結構的附加載荷小；FRP耐腐蝕、耐老化，應用時效長，可以降低后期的維修費用[4]。

圖1FRP材料應力-應變關系曲線

本文提出了一種新的復合材料加固技術，聚脲彈性涂層-碳纖維加固混凝土技術。綜合考慮其優(yōu)良的力學性能、環(huán)保性能、耐久性等，論證了聚脲彈性涂層-碳纖維加固技術的工程應用前景。

1纖維復合材料加固技術的發(fā)展

1.1FRP加固混凝土技術的發(fā)展

纖維增強復合材料FRP開始時用于航空、航天、醫(yī)學等領域。隨著材料科學的發(fā)展，F(xiàn)RP優(yōu)良的力學性能為研究人員所熟知，在二十世紀八十年代開始運用于土木工程界。最早將FRP材料用于混凝土加固的國家是德國和瑞士[5]。瑞士科學家Meier首次在試驗室用FRP板代替鋼板進行試驗研究[6]，之后將研究成果應用于瑞士Ibach橋的加固。繼瑞士和德國之后，日本和美國也開始碳纖維加固技術的研究。二十世紀八十年代，碳纖維加固技術開始在日本投入使用，此后FRP加固技術迅速發(fā)展，日本于1993年頒布了《連續(xù)纖維加固混凝土結構諸性質(zhì)和設計法》等規(guī)范和規(guī)程；美國混凝土學會(ACI)也于九十年代頒布了有關纖維加固混凝土技術的規(guī)范和指南。

我國纖維增強復合材料加固技術起步較晚，二十世紀九十年代末才開始對FRP加固混凝土技術進行研究[7]。在2003年頒布了《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規(guī)程》(CECS146：2003)，在2006年頒布了《混凝土結構加固設計規(guī)范》(GB50367—2006)。隨著規(guī)范和規(guī)程的頒布，F(xiàn)RP加固混凝土技術也開始廣泛地應用于我國的土木工程界。

我國廣泛使用的混凝土加固纖維增強材料主要有：碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)[8-9]。目前我國又合成一種新的纖維復合材料——玄武巖纖維材料，這種材料具有較高的抗拉強度、耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性[10]。第19屆國際復合材料工業(yè)技術展覽會指出我國已成為全球纖維增強復合材料的最大應用市場。

1.2PVC-FRP加固混凝土技術的發(fā)展

二十世紀七十年代G.N.HADDAD.提出了PVC-FRP復合管的現(xiàn)代新技術[11]，PVC-FRP管相比于FRP管重量輕、成本低，PVC-FRP管在所有的尺寸及壓力范圍內(nèi)都比較經(jīng)濟。

我國研究者也論證了PVC-FRP管加固混凝土結構具有實際應用的可行性[12]，PVC-FRP加固混凝土技術將成為未來混凝土結構加固的一個趨勢。

2纖維復合材料加固混凝土的試驗及理論研究

2.1纖維復合材料約束混凝土的應力應變關系研究

2.1.1FRP約束混凝土本構模型

纖維增強復合材料約束混凝土柱，承受軸向荷載的作用時，由于周圍約束力的作用，核心混凝土處于三向應力狀態(tài)?；炷林鶚O限承載力和彈性模量均增加，其破壞形式由原來的脆性破壞轉變?yōu)檠有云茐摹鴥?nèi)外研究學者對FRP加固混凝土結構進行試驗研究，提出了不同的約束混凝土本構模型。

目前存在的約束混凝土本構模型大致分為三段：線彈性段、彈塑性段、線性強化段。在線彈性和彈塑性階段，約束混凝土本構模型和未約束混凝土本構模型相同；當混凝土達到屈服應力以后開始膨脹，此時外包的纖維增強復合材料產(chǎn)生環(huán)向應力和環(huán)向應變，對核心混凝土產(chǎn)生約束作用，混凝土的應力-應變關系呈現(xiàn)為線性(線性強化段)。Mander等[13]人提出了截面形狀為圓形和方形的約束混凝土本構模型，同時國外研究學者Lam、Hantouche、Wu、Youssef等[14-17]對纖維復合材料加固混凝土柱進行試驗研究和理論分析，分別提出了相應的約束混凝土本構模型，并指出混凝土的強度，碳纖維種類、強度、剛度、布置形式，混凝土柱截面形狀等都會影響混凝土的本構模型。Ozbakkaloglu等[18]對730個約束混凝土圓柱進行試驗，文中總結了前人提出的88個FRP約束混凝土本構模型，對不同的模型進行了系統(tǒng)的分析，指出了不同模型的優(yōu)缺點。

趙彤、肖巖等[19-20]分別對碳纖維布約束混凝土柱進行軸壓試驗，試驗綜合考慮了碳纖維布的層數(shù)、布置間距等對約束混凝土本構模型的影響。趙彤和肖巖根據(jù)試驗結果對Mander提出的箍筋約束混凝土本構模型的參數(shù)作了修改，提出了新的碳纖維布約束混凝土柱的本構模型。于清、張月弦等[21-22]對國內(nèi)外FRP加固混凝土軸心受壓柱的試驗資料進行了分析和總結，提出了一種新的FRP約束混凝土本構模型，其中包括FRP的破壞準則、有效約束系數(shù)及強度發(fā)揮系數(shù)等。

2.1.2PVC-FRP約束混凝土本構模型

Toutanji等[23]對38根PVC-FRP加固混凝土短柱進行軸心受壓試驗，文中指出，在外部PVC-FRP的約束作用下，混凝土處于三向應力狀態(tài)，且外部約束力正比于外包纖維復合材料的剛度。PVC管的剛度非常小，可以不考慮其對混凝土的約束作用，對PVC-FRP管加固混凝土柱進行有限元分析時可以直接采用FRP約束混凝土本構模型。

Yu F等[24]對PVC-FRP加固混凝土柱進行試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)提出了PVC-FRP約束混凝土柱的本構模型。PVC-FRP約束混凝土本構模型大致分為三段：線彈性段、彈塑性段、線性段(強化段)，在線彈性和彈塑性階段，約束混凝土柱的本構模型和未約束混凝土柱的本構模型相同；當混凝土達到屈服應力以后，在PVC-FRP環(huán)向應力的作用下，核心混凝土的應力-應變關系呈現(xiàn)線性。于峰對Lam和Teng提出的約束混凝土本構模型中的部分參數(shù)做了修正，提出了一種新的PVC-FRP約束混凝土本構模型。

2.2纖維復合材料加固混凝土極限承載力的研究

2.2.1FRP加固混凝土的極限承載力

影響FRP加固混凝土柱極限承載力的因素很多，主要包括：核心混凝土的極限抗壓強度，混凝土柱的截面形狀、尺寸以及混凝土結構的穩(wěn)定系數(shù),纖維復合材料的強度、布置間距、層數(shù)等。Teng等[25]對碳纖維加固混凝土圓柱進行了試驗研究，結果表明，碳纖維布加固混凝土圓柱，可使核心混凝土的極限抗壓強度提高數(shù)倍。Mirmiran等[26]對不同長細比的GFRP約束混凝土圓柱進行軸壓試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提出了約束混凝土柱極限承載應力和極限承載應變的表達式。Togay Ozbakkaloglu[18]對730個約束混凝土圓柱進行試驗，文中總結了前人提出的88個FRP約束混凝土極限承載應力表達式,并對不同的承載應力表達式進行了系統(tǒng)分析。

于峰等[27]對纖維復合材料加固混凝土柱進行試驗研究，并參照國內(nèi)外的試驗數(shù)據(jù)，提出了適用于混凝土短柱和混凝土中長柱的極限承載應力的表達式，在極限承載力的表達式中考慮了核心混凝土的極限抗壓強度、側向約束系數(shù)以及構件穩(wěn)定系數(shù)、折減系數(shù)等。隨著核心混凝土極限抗壓強度、穩(wěn)定系數(shù)及側向約束系數(shù)的提高，構件的極限承載力均有不同程度的提高。

2.2.2PVC-FRP加固混凝土的極限承載力

Toutanji等[23]對38根PVC-FRP加固混凝土短柱進行軸心受壓試驗，結果表明，已加固混凝土的極限承載應力與核心混凝土的抗壓強度、PVC-FRP極限抗拉強度及剛度有關。福州大學Jiang S F等[28]對PVC-CFRP加固混凝土進行了試驗研究，試驗綜合考慮了核心混凝土的極限抗壓強度、構件的穩(wěn)定系數(shù)、碳纖維布的強度等因素對PVC-CFRP加固混凝土極限承載力的影響，提出了PVC-CFRP約束混凝土柱極限承載力的計算表達式。

碳纖維布的數(shù)量也會影響混凝土柱的極限承載力，在一定范圍內(nèi)隨著碳纖維布的數(shù)量增加，混凝土的極限承載力有所提高，當碳纖維布的數(shù)量達到一定程度以后，碳纖維布的數(shù)量對構件的極限承載力的影響很小，故在使用纖維復合材料加固混凝土結構時應該綜合考慮其要實現(xiàn)的價值及經(jīng)濟成本。

2.3纖維復合材料加固混凝土的耐久性研究

2.3.1FRP加固混凝土的耐久性

混凝土結構在耐久性設計時應充分考慮構件的使用環(huán)境[29]，纖維增強復合材料加固混凝土柱的耐久性主要與混凝土配比、纖維復合材料種類以及兩者之間粘結劑的耐久性有關。

Debaiky等[30]對放置在腐蝕性環(huán)境中的碳纖維包裹混凝土柱進行了試驗研究，結果表明，包裹碳纖維布以后，碳纖維布可以有效地阻止氯離子滲透，從而提高了混凝土構件的抗腐蝕能力。Homam[31]對凍融循環(huán)條件下的混凝土柱進行試驗研究，結果表明，當GFRP外包混凝土柱處于凍融循環(huán)的環(huán)境中時，構件的強度和耐久性明顯降低。在凍融循環(huán)作用下，其強度和耐久性比室溫作用下GFRP外包混凝土柱低，相比之下，外包CFRP的混凝土柱在凍融循環(huán)作用下，其強度和耐久性變化不明顯。

大連理工大學李杉等[32]對荷載和環(huán)境共同作用下的FRP加固混凝土耐久性進行試驗研究，結果表明，在荷載和干濕交替雙重作用下，碳纖維與混凝土界面的粘結性能降低，繼而使得CFRP加固梁的極限承載力下降。大連理工大學李珍珍等[33]對碳化、凍融循環(huán)、干濕交替作用下的FRP加固混凝土柱進行試驗研究，結果表明，碳化對于FRP約束混凝土柱的承載力影響較小，但在凍融循環(huán)作用下，F(xiàn)RP約束混凝土柱的承載力明顯降低，此時FRP加固混凝柱的破壞機理較為復雜。

2.3.2PVC-FRP加固混凝土的耐久性

Toutanji等[34]對182根混凝土短柱進行試驗研究，其中38根為室溫環(huán)境、72根分別為200次和400次的凍融環(huán)境、72根分別為200次和400次的干濕交替環(huán)境，結果表明，相比于無約束混凝土柱，PVC-FRP加固混凝土柱的強度和耐久性增加。在干濕交替和凍融循環(huán)作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的耐久性遠遠超過PVC-GFRP加固混凝土柱和PVC-AFRP加固混凝土柱的耐久性。在400次的凍融循環(huán)和干濕交替作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的強度幾乎沒有變化，而PVC-GFRP和PVC-AFRP加固混凝土柱的強度則有不同程度的降低，其中PVC-GFRP加固混凝土柱的強度降低較為明顯。Houssam Toutanji還指出，在凍融循環(huán)和干濕交替等環(huán)境作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的破壞模式發(fā)生變化，和CFRP加固混凝土柱的破壞機理較為相似。

2.4纖維復合材料加固混凝土抗震性能的研究

2.4.1FRP加固混凝土的抗震性能

趙彤，吳剛等[35-36]對碳纖維布增強鋼筋混凝土結構進行抗震性試驗研究，結果表明，碳纖維加固鋼筋混凝土結構可以提高結構的抗剪承載力和延性，改善結構的抗震性能，使得鋼筋混凝土結構的滯回曲線會更加飽滿，同時指出混凝土強度，碳纖維布用量、包裹形式，構件的剪跨比、軸壓比、截面形狀等都會影響鋼筋混凝土結構的抗震性能。

2.4.2PVC-FRP加固混凝土的抗震性能

目前，國內(nèi)外對于PVC-FRP加固鋼筋混凝土結構的抗震性方面研究較少。福州大學姜紹飛等[37]對PVC-FRP約束混凝土柱進行滯回性能試驗研究，結果表明，外包PVC-FRP管的鋼筋混凝土柱的滯回曲線較為飽滿，捏縮現(xiàn)象不明顯，并且隨著纖維增強復合材料層數(shù)的增加，構件的延性提高越明顯。姜紹飛同時也對碳纖維布和玄武巖纖維布包裹混凝土柱進行了試驗，相比于玄武巖纖維布，PVC-CFRP加固混凝土柱的剛度退化較為緩慢，PVC-CFRP加固混凝土柱的抗震性能要優(yōu)于PVC-BFRP加固混凝土柱。

3纖維復合材料加固混凝土的機理分析

3.1FRP加固混凝土的機理分析

由約束混凝土柱的軸壓試驗[38]可知，構件在混凝土達到屈服之前，其應力-應變關系曲線與未約束混凝土的應力-應變關系曲線相似，在混凝土達到屈服以后開始膨脹，此時纖維增強聚合物產(chǎn)生環(huán)向拉應變，核心混凝土柱處于三向受壓的被動約束狀態(tài)。在纖維復合材料產(chǎn)生的環(huán)向應力作用下，混凝土柱的極限承載力提高，延性增加。

3.2PVC-FRP加固混凝土的機理分析

于峰等[39]對12根PVC-FRP加固混凝土進行軸壓試驗，研究其破壞機理并繪制混凝土的應力-應變關系曲線。在線彈性階段，混凝土與PVC管之間無徑向壓應力，混凝土的應力-應變關系曲線與未約束混凝土柱相似。在彈塑性階段，混凝土內(nèi)部裂縫開始擴展，混凝土膨脹，混凝土和PVC管之間產(chǎn)生徑向壓應力，隨著PVC管的變形，F(xiàn)RP開始產(chǎn)生環(huán)向拉應變，對混凝土柱產(chǎn)生環(huán)向約束力。由于PVC管的存在，F(xiàn)RP的約束作用力可以均勻地傳遞到核心混凝土柱，減少了FRP端部應力集中的問題。在強化階段PVC管發(fā)生塑性變形，橫向變形增加，使得FRP產(chǎn)生較大的變形，PVC管和混凝土柱之間應力重分布，在PVC管和FRP的共同作用下，核心混凝土的極限承載力和延性均有不同程度的提高。

綜上所述，纖維增強復合材料加固混凝土柱可以提高構件的極限承載力、耐久性、抗震性等，然而在表面曲率較大的地方容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，且碳纖維是一種脆性材料，限制了CFRP加固混凝土柱強度及抗震性能的提高。

針對碳纖維加固混凝土技術的局限性，作者提出了一種新的混凝土結構加固技術——含有聚脲彈性涂層的碳纖維加固混凝土技術。

4聚脲彈性涂層—碳纖維加固混凝土技術

所謂含有聚脲彈性涂層的碳纖維加固混凝土技術是指在碳纖維和混凝土界面處涂刷一層聚脲彈性涂層，從而可以提高碳纖維和混凝土基面之間的彈性性能，使得碳纖維的強度得到有效發(fā)揮。聚脲是一種固化速度快、可以在任意曲面上噴涂成型、綠色環(huán)保[40]的復合材料，其優(yōu)勢得到越來越多工程界的認可，目前已經(jīng)廣泛運用到高鐵、土木、水利、國防等領域。

4.1聚脲彈性涂層—碳纖維加固混凝土的耐久性研究

翟文等[41]對聚脲的耐介質(zhì)性進行試驗研究，結果表明，聚脲彈性涂層是一種耐介質(zhì)性較強的復合材料，聚脲的耐介質(zhì)性如表1所示。

由表1可知，聚脲可以在強酸、強堿以及其他的腐蝕介質(zhì)中存在，不會發(fā)生老化、退化等現(xiàn)象，主要是因為聚脲為一種有機無揮發(fā)性的溶劑，可以形成一層結構致密、無接縫的連續(xù)涂層，這樣可以阻止氯離子等腐蝕性離子的侵入，纖維復合材料加固混凝土柱的耐久性和粘結劑的耐久性密切相關，故含有聚脲彈性涂層的碳纖維加固混凝土技術可以有效地改善混凝土結構的耐久性。

表1　SPUA的耐介質(zhì)性

4.2聚脲彈性涂層—碳纖維加固混凝土的抗震性研究

聚脲具有儲能能力[42]，其伸長率非常大，可以發(fā)生大變形。當聚脲承受沖擊力作用時，聚脲可以迅速發(fā)生變形，將一部分沖擊能量儲存下來。當沖擊力結束以后，聚脲較大的彈性形變可以瞬間恢復，釋放出一部分能量，隨著時間的延長，聚脲的形變還可以繼續(xù)恢復，表現(xiàn)出黏彈性，這樣聚脲可以免收沖擊波的影響，可以提高結構的抗震性。

黃微波在進行純聚脲技術用作自然災害防御技術進行試驗研究[43]，對混凝土柱在噴涂聚脲前后進行軸壓試驗以及對混凝土墻進行爆炸試驗，結果表明，聚脲具有良好的抗壓荷載的能力。噴涂聚脲以后的墻面在爆炸載荷的作用下，可以使墻面連接成一個整體，具有良好的抗沖擊性能。

由于聚脲彈性涂層是一種彈性模量低、拉伸率大[44]的復合材料，故在碳纖維和混凝土界面涂刷聚脲彈性涂層后使得膠層材料的整體剪切剛度降低，有效地減緩了碳纖維布的脆性和應力集中現(xiàn)象，同時也有效地提高了碳纖維加固混凝土柱的承載能力和抗震性能。

5結論及展望

(1) 對纖維增強復合材料加固混凝土結構進行了詳細的分析，有助于加深對混凝土加固技術的理解。

(2) 纖維增強復合材料加固混凝土技術可以提高混凝土構件的極限承載力、耐久性、抗震性等。

(3) 對FRP、PVC-FRP加固混凝土柱的原理進行了分析，為研發(fā)可以用于混凝土加固技術的新型材料提供了理論基礎。

(4) 本文提出的聚脲彈性涂層不僅可以改善碳纖維和混凝土基面之間的彈性性能，而且能夠提高混凝土構件的耐久性。

(5) 由于聚脲彈性涂層的高延伸率和儲能能力，故可以改善纖維復合材料的脆性特性，提高構件的承載能力和抗震性能。

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Research Process of the Concrete Structure Strengthened with Fiber Composite Polymer

LI Bingqi, ZHOU Yuexia

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract：Fiber composite polymer has been widely used to structure reinforcement of civil engineering and architecture because of its light weight, high strength, corrosion resistance, fatigue resistance, damping performance etc. Based on the research progress of composites reinforced concrete technology, this paper discussed the constitutive model of reinforced concrete and the ultimate bearing capacity, the durability, the earthquake resistance of the reinforced concrete structure and the mechanism of fiber composites reinforced concrete structure. Finally polyurea elastomeric coating as a new reinforcement material was introduced in this paper, which can effectively improve the bearing capacity, the durability and the earchquake resistance of the reinforced concrete structure.

Keywords:FRP； PVC-FRP; polyurea elastomeric coating; constitutive model; earthquake resistance

文章編號：1672—1144(2016)01—0085—06

中圖分類號：TU375.3

文獻標識碼：A

作者簡介：李炳奇(1966—)，男，吉林農(nóng)安人，雙博士，教授級高級工程師，主要從事結構加固與診斷等方面的研究。 E-mail：libq@iwhr.com

收稿日期：2015-09-20修稿日期：2015-10-15

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.016