復(fù)合材料在建筑加固工程中的應(yīng)用研究

李志才

摘要：文章對復(fù)合材料的發(fā)展過程及優(yōu)勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在建筑加固工程中使用復(fù)合材料會有良好的應(yīng)用效果。然后再通過實驗研究的方式，分析玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料和碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料在建筑加固工程中的應(yīng)用效果。實驗結(jié)果表明：碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料加固的效果更好;與碳纖維復(fù)合材料相比，材料使用成本更低。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;加固;玻璃纖維;碳纖維;應(yīng)用

中圖分類號：TQ342+.74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0074-04

復(fù)合材料就是將不同的材料進(jìn)行組成，并對其進(jìn)行處理，形成一種兼具多種材料優(yōu)點的新型材料"。由于我國需要加固的建筑工程較多，將復(fù)合材料應(yīng)用其中將會具有重要的意義。當(dāng)今使用最多的復(fù)合材料就是纖維復(fù)合材料，因為這種材料優(yōu)勢較多。文章將會對玻璃纖維、碳纖維和兩者的結(jié)合應(yīng)用于建筑加工工程中進(jìn)行研究。

1復(fù)合材料的發(fā)展過程

隨著科技的持續(xù)不斷地發(fā)展，并且要滿足社會的需求，在建筑工程領(lǐng)域中各種新型材料隨之產(chǎn)生。復(fù)合材料作為當(dāng)今社會。上使用廣泛的新型材料，在建工工程領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要的作用。在加固工程中復(fù)合材料中主要有3種材料，分別為碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維[2]。纖維復(fù)合材料主要由樹脂和纖維組成，通過對其進(jìn)行按照一定比例混合加工之后，就會形成具有不同功能的獨特結(jié)構(gòu)材料[3]。由于復(fù)合材料具有的獨特優(yōu)勢，在建筑工程中的地位越來越高，應(yīng)用于建筑工程中必然會發(fā)揮很好的加固作用。

在1950～1960年之間，復(fù)合材料就已將在民用建筑中得以使用;在1961年，英國將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到其教堂的尖頂建設(shè)，此時應(yīng)用復(fù)合材料的技術(shù)在不斷增加，其應(yīng)用范圍也開始擴(kuò)張。到1970年時，就可以將復(fù)合材料應(yīng)用到人工天橋中。中國對復(fù)合材料的應(yīng)用比國外晚幾年，是在20世紀(jì)50年代末期，中國開始對玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)用，隨著材料和技術(shù)上的不斷成熟，玻璃纖維復(fù)合材料開始取代鋼筋的使用，由此可見玻璃纖維復(fù)合材料的應(yīng)用效果比鋼筋好。人們逐漸重視復(fù)合材料在建筑工程中的作用，為了讓復(fù)合材料更進(jìn)一步的發(fā)展，中國在70、80年代就開始大力研究復(fù)合材料。在1982年，我國北京將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于公路建設(shè)中，對公路的承載能力有了進(jìn)一步的提高"。復(fù)合材料的主要作用就是起到加固作用，但是隨著不斷的發(fā)展，復(fù)合材料可以在地震環(huán)境中對建筑工程進(jìn)行加強(qiáng)，從而可以提高對地震的抵抗作用”。復(fù)合材料逐漸成為應(yīng)用范圍廣闊的材料。21世紀(jì)初期，復(fù)合材料就成為了我國重要的建筑材料，能夠保障工程的質(zhì)量和安全。

2復(fù)合材料的優(yōu)勢

建筑工程中所使用的復(fù)合材料，尤其是復(fù)合材料，主要有纖維和樹脂組成，其中纖維的作用就是可以增加復(fù)合材料的強(qiáng)度"。將復(fù)合材料應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中，可以提高其抗拉強(qiáng)度，并且與鋼筋對比，提高的幅度是非常的明顯。圖1為復(fù)合材料與其他材料的抗拉強(qiáng)度對比，從圖中可以看出，復(fù)合材料普遍比其他材料的抗拉強(qiáng)度大，并且在復(fù)合材料中，碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度大于芳綸纖維復(fù)合材料大于玻璃纖維符合材料。另外，復(fù)合材料還具有其他的很多的優(yōu)勢，比如具有很好的抗腐蝕性，能夠抵抗酸堿等物質(zhì)的腐蝕;質(zhì)量輕，不會給建筑結(jié)構(gòu)增添負(fù)擔(dān);施工工序簡單、工期短，可以節(jié)約成本;還具有耐疲勞性、耐久性等等。這些優(yōu)勢讓復(fù)合材料逐漸取代了鋼筋的使用，其應(yīng)用更加的廣泛。

3復(fù)合材料在建筑加固工程中的方法

3.1內(nèi)嵌入式加固方法

將復(fù)合材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中有著不用的加固方法，有人提出了內(nèi)嵌入式的加固方法。顧名思義，就是將復(fù)合材料嵌入到建筑結(jié)構(gòu)的里面，首先將建筑結(jié)構(gòu)的表面開淺溝，然后將復(fù)合材料放入其中，是其與建筑結(jié)構(gòu)成為一個整體，復(fù)合材料具有很好的力學(xué)性能，能夠與建筑結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)外力，從而可以提高建筑結(jié)構(gòu)的剪切能力或者是彎曲能力，就可以起到加固的作用。圖2就是使用內(nèi)嵌人式進(jìn)行加固的施工方法。

使用內(nèi)嵌入式的加固方法的主要優(yōu)勢如下所示：將復(fù)合材料放入加固構(gòu)件中，當(dāng)構(gòu)件受到外在力量的撞擊時，就不會直接的撞擊在復(fù)合材料上，可以減少復(fù)合材料的破壞作用。并且將復(fù)合材料嵌人到結(jié)構(gòu)中，使兩者成為一個整體，就可以更好的起到加固的作用。由于是內(nèi)嵌式加固，就會增加復(fù)合材料的利用面積，就會造成浪費現(xiàn)象。使用內(nèi)嵌式方法時，其施工比較簡單，不需要很多的人力和物力，而且施工面積也很小，可以節(jié)約建筑加固的施工成本。

使用內(nèi)嵌式加固方法也需要按照一定的施工工藝進(jìn)行，當(dāng)施工工藝存在問題時就會降低復(fù)合材料加固的效果。其施工步驟如下所示：

1）在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行開槽，開槽的尺寸是根據(jù)建筑構(gòu)件的加固設(shè)計要求進(jìn)行的。開槽尺寸不能隨意設(shè)計，需要通過一系列的計算得出。

2）開槽完成之后，槽內(nèi)會存在灰塵等雜質(zhì)，需要將其全部清理干凈，以防影響復(fù)合材料的粘接效果。

3）然后再向槽中加人膠粘劑，加人膠粘劑的厚度為槽高的一半時需要停止加人。

4）停止加入膠粘劑之后，就將復(fù)合材料放入槽中，然后對其進(jìn)行輕輕施壓，將繼續(xù)向槽中加入膠粘劑，直至加滿為止。

5）在就是等待膠粘劑固化，固化完成后對建筑結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理。

3.2外貼式加固方法

外貼式加固方法就是利用膠粘劑將將復(fù)合材料粘貼在建筑結(jié)構(gòu)的外表面。圖3就是利用該方法的示意圖。使用外貼式加固的方法其最主要的優(yōu)勢就是非常方便，能夠快速的完成施工。并且因為復(fù)合材料具有不錯的防腐蝕性能，所以將其粘接在建筑結(jié)構(gòu)的外面有利于對結(jié)構(gòu)的保護(hù)、防止其發(fā)生腐蝕。所以不需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的維護(hù)，就可以節(jié)約因為維護(hù)所花的費用。

使用外貼式加固的施工過程比較簡單，主要包含著5個施工過程，①對加固構(gòu)件基地進(jìn)行處理，即將其表面的雜質(zhì)清理干凈，②涂抹底膠，③將加固結(jié)構(gòu)表面找平，有助于將復(fù)合材料平整的粘接在結(jié)構(gòu)表面，④粘接復(fù)合材料，為了對復(fù)合材料起到保護(hù)的作用，⑤在其表面抹灰或者是噴防火涂料。

4復(fù)合材料在建筑加固工程中的應(yīng)用

建筑加固工程中主要使用復(fù)合材料包含著3種，即碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維。如今使用最多的就是碳纖維，因為其性能更加的占優(yōu)勢。將復(fù)合材料應(yīng)用于建筑加固工程中究競哪種復(fù)合材料的性能更好，需要進(jìn)行實驗研究。本文將分析碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維/玻璃復(fù)合材料這3種材料在建筑加固工程的中的應(yīng)用效果。

4.1實驗部分

4.1.1實驗材料和設(shè)備

實驗所需的主要材料：14根短柱，短柱為預(yù)留5年的素混您圖，其尺寸為15cmX15cmX45cm;碳纖維復(fù)合材料;玻璃纖維復(fù)合材料;環(huán)氧樹脂膠粘劑等。表1為碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料的各項參數(shù)。

實驗所需的主要設(shè)備：助機(jī)。

4.1.2實驗試樣及分組

將14根短柱分成4組，如表2所示。第1組為素混凝土短柱，包含3根，用符合P表示;第2組為玻璃纖維復(fù)合材料的短柱，包含3根，用符合GF表示;第3組為碳纖維復(fù)合材料的短柱，包含4根，用符合CF表示;第4組為碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料的短柱，包含4根，用符合CF/GF表示。

4.1.3試樣的加固

本文對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方式采用的是外貼式加固方法。對于GF組使用的是玻璃纖維布，其寬度為10cm，將其采用環(huán)繞的方式粘接在短柱上，搭接寬度為2cm。CF組的試樣使用的是碳纖維條，每隔lcm粘接在短柱上。CF/GF組的試樣其加固程序是首先在短柱上粘接碳纖維條，每隔2cm粘接一圈，然后再在其表面粘接玻璃纖維復(fù)合材料，采用的是環(huán)繞方式。

4.2實驗結(jié)果與分析

4.2.1不同復(fù)合材料加固短柱的破壞形態(tài)分析

采用壓力機(jī)對每種試樣進(jìn)行加載處理，當(dāng)試樣發(fā)生破壞時，其破壞形態(tài)如圖4所示。在整個實驗過程中，需要對每種試樣發(fā)生的變化進(jìn)行記載，包含其斷裂情況和極限荷載等，其結(jié)果如下所示：

1）P試樣。當(dāng)荷載加大到其極限荷載的80%時，就會聽到短柱發(fā)生斷裂的聲音，可以看出在短柱的中間出現(xiàn)了微小的縱向裂縫，當(dāng)繼續(xù)增加荷載時，短柱的邊上也迅速的出現(xiàn)裂縫，然后短柱被壓壞。

2）GF試樣。當(dāng)荷載加大到其極限荷載的75%時，就會聽到短柱發(fā)生斷裂的聲音，從而可以分析出在短柱的內(nèi)部出現(xiàn)縱向斷裂。然后繼續(xù)加荷載，當(dāng)達(dá)到其極限荷載時，短柱的表面就會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，隨即玻璃纖維復(fù)合材料出現(xiàn)拉斷，然后短柱被壓壞。

3）CF試樣。當(dāng)荷載加大到其極限荷載的90%時，沒有聽見也沒有看到短柱有出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，于是對其繼續(xù)加載，加載到其極限荷載，發(fā)現(xiàn)短柱的中間部分，碳纖維復(fù)合材料被拉斷了，與此同時短柱被壓壞。

4）CF/GF試樣。當(dāng)荷載加大到其極限荷載的95%時，就聽到了短柱發(fā)生斷裂的聲音，但是觀察其表面的玻璃纖維復(fù)合材料沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

從而可以結(jié)合圖4得出，與P試樣相比，使用復(fù)合材料加固混凝土的短柱其出現(xiàn)的裂縫更加的細(xì)密，且在一個面上，CF/GF試樣表面的裂縫多于CF試樣多于CF試樣多于P試樣。并且每個試樣的承載力如表2所示。不同試樣的實測荷載一應(yīng)變曲線如圖5所示。

4.2.2加固機(jī)理分析

通過對圖5和表2的分析，可以發(fā)現(xiàn)，與素混凝土柱相比，其他的3種混凝土柱的塑性和極限承載力都有所提高。從表和圖中可以看出，使用玻璃纖維復(fù)合材料對柱加固后，其極限承載力雖然有所提高，但是并不明顯，而其塑性的增加是非常的明顯。使用碳纖維復(fù)合材料對柱的加固后，其增加趨勢正好與玻璃纖維復(fù)合材料加固柱的效果相反，即其極限承載力提高非常的明顯，而塑性提高并不明顯。使用碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料對柱進(jìn)行加固后，綜合了其兩種材料的不足之處，即非常明顯.的提高了塑性和承載力。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因如下所示。

從表1中可知，玻璃纖維復(fù)合材料的彈性模量比較很小，雖然該材料是以環(huán)繞的方式粘接在柱子上，但是其側(cè)向約束力很小，小得幾乎可以忽略，所以柱子在受壓前期，可以認(rèn)為是單軸受壓，當(dāng)柱子出現(xiàn)裂縫之后玻璃纖維的應(yīng)力就會提高，由于裂縫較寬，三向應(yīng)力狀態(tài)就不會生產(chǎn)，再加上柱子的承載力下降，所以其使用玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固的柱子，其承載力增加并不明錄。由于玻璃纖維復(fù)合材料會約束柱子發(fā)生裂縫，就會展現(xiàn)一定的塑性，所以其塑性增加較為明顯。

從表1中可知，碳纖維復(fù)合材料的彈性模量很大，甚至大于普通的鋼筋，再加上碳纖維更加的柔，使用膠粘劑進(jìn)行粘接時會更加的平整服帖，粘接效果會更好，就會形成三向應(yīng)力，即明顯的提高柱子承載力。另外，碳纖維復(fù)合材料的延展性小，所以提高其塑性就會顯得不明顯。

碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料對建筑結(jié)構(gòu)柱子加固可以兼顧兩者的優(yōu)勢。在剛開始加載時，因為碳纖維復(fù)合材料能夠?qū)χ悠鸬郊s束作用，形成三軸受壓狀態(tài)，其橫向平均應(yīng)變約是CF試樣的兩倍。應(yīng)力大幅度提高的原因在于玻璃纖維的高延伸率能夠承擔(dān)碳纖維的低延伸率，即將兩種復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)合，其延伸率變高了，應(yīng)力也會大幅度提高。而且有表1可知碳纖維復(fù)合材料的價格相當(dāng)貴，玻璃纖維復(fù)合材料的價格比較便宜。與使用碳纖維復(fù)合材料加固構(gòu)件相比，用碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料加固能夠節(jié)約一般的碳纖維使用，總的加固價格為碳纖維復(fù)合材料加固的77.3%，并且極限應(yīng)變和承載力都比碳纖維加固高，所以可知，使用碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料應(yīng)用于建筑加固工程中加固效果更好，且能夠節(jié)約加固所需成本。

5結(jié)語

綜上所述，在建筑加固工程中使用復(fù)合材料能夠達(dá)到更好的應(yīng)用效果。其中使用碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料加固的塑性和承載力大于其他兩種復(fù)合材料;且碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料的成本更加低廉。所以在建筑加固工程中使用碳纖維/玻璃纖維復(fù)合材料將會有更好的效果，并且物美價廉。如今復(fù)合材料作為加固工程的主要材料，并且發(fā)揮著重要的作用，隨著科技的發(fā)展，將會對復(fù)合材料不斷的進(jìn)行創(chuàng)新，今后建筑加固工程質(zhì)量將會更好。

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