內(nèi)嵌纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)研究進(jìn)展

馬佳雯 張海霞

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院)

0 前言

建筑結(jié)構(gòu)的正常使用需符合結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)安全性等要求。現(xiàn)階段，我國大量鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)面臨達(dá)到服役年限、耐久性不足的問題，受到材料性能退化、超載及疲勞作用等的影響，結(jié)構(gòu)抗力不斷退化[1]。如住宅、橋梁、工業(yè)建筑等，將此類建筑推倒重建會導(dǎo)致耗費(fèi)大量人力物力，與之相反，對上述建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)既保證了建筑物的可靠性，同時兼具經(jīng)濟(jì)與技術(shù)優(yōu)勢，符合我國追求實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的國情。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是有多股連續(xù)纖維（如玻璃纖維）通過基體材料（如聚乙烯樹脂，環(huán)氧樹脂等）進(jìn)行膠合，經(jīng)模具擠壓并拉拔成型的[2]。FRP 材料在抗剪強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及彈性模量方面較弱于傳統(tǒng)鋼筋，但其抗拉強(qiáng)度高，自重輕，且電磁絕緣性能優(yōu)良，是具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)保型材料。

NSM-FRP 法加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，首先進(jìn)行待加固結(jié)構(gòu)的預(yù)先處理，在計劃內(nèi)嵌部位的混凝土表面開槽，之后完成槽內(nèi)清灰、去除雜質(zhì)步驟，去除殘余雜質(zhì)粘結(jié)力的影響，最后方可注入粘合劑并放入加固FRP 材料，待養(yǎng)護(hù)達(dá)到粘結(jié)劑固化最終強(qiáng)度則完成結(jié)構(gòu)加固工作。

我國其他應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)加固法（如加大截面加固法、置換混凝土加固法等），在不同程度上存在施工不便、效率低、加固質(zhì)量難以保證的各項缺點。自近年來，國內(nèi)外研究人員提出內(nèi)嵌（Near-Surface Mounted，簡稱NSM）加固技術(shù)，此加固技術(shù)逐漸成為研究熱點。NSM-FRP 結(jié)構(gòu)加固對比傳統(tǒng)加固手段可有效減少混凝土表面處理的工作量，有利于提升加固工作效率，已應(yīng)用在國外的結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者在NSM-FRP 加固技術(shù)研究方面取得了一定研究成果。

本文對國內(nèi)外代表性NSM-FRP 加固的研究成果進(jìn)行總結(jié)，同時分析目前研究工作的不足之處，并展望了未來的研究思路和方向。

1 NSM-FRP加固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

NSM-FRP 法增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的承載能力是通過對梁底部、梁側(cè)內(nèi)嵌FRP材料實現(xiàn)的，以下將從NSM-FRP法抗彎、抗剪加固兩方面進(jìn)行研究成果的總結(jié)分析。

1.1 NSM-FRP鋼筋混凝土梁抗彎加固

孫平平等對NSM-FRP 板條鋼筋混凝土加固梁與未加固對比梁分別進(jìn)行靜力加載試驗，研究得出：對鋼筋混凝土梁進(jìn)行碳纖維（CFRP）板條加固可有效提高其抗彎性能，且加固后裂縫間距與最大裂縫寬度減小[3]。李荷美主要從損傷程度、加固開槽數(shù)量、內(nèi)嵌材料種類幾方面，深入研究了NSM-FRP 材料加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能，得出FRP筋比CFRP板條與粘結(jié)劑的結(jié)合效果更好，此外，當(dāng)損傷程度一定時，NSM-CFRP 筋加固梁比NSM-BFRP 筋加固梁極限荷載提高幅度大[4]。茍海剛等著重分析NSM-GFRP 筋加固混凝土梁進(jìn)行靜載試驗時破壞模式和破壞特征，得到采用NSM-FRP 筋加固可顯著提高鋼筋混凝土梁的受彎承載力[5]。王存利對NSM-FRP加固梁及對比梁建立三維有限元模型并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)整CFRP 的嵌入長度可以改變加固梁的破壞模式[6]。何雙江對NSM-CFRP 筋抗彎加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了加載試驗，試驗結(jié)果得到：NSM-CFRP 筋加固使試驗梁撓度有所減小，CFRP筋可有效增加梁抵抗變形的能力[7]。

1.2 NSM-FRP鋼筋混凝土梁抗剪加固

鄧宇等對CFRP-PCPs復(fù)合筋NSM加固的混凝土梁進(jìn)行試驗，得到CFRP-PCPs 復(fù)合筋對混凝土梁的抗剪性能有明顯的提高作用[8]。張海霞等對NSM-FRP筋剪切加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行加載試驗，試驗結(jié)果顯示加固試驗梁的整體剛度和受剪承載力較對比梁顯著提高，且裂縫開展得到延緩[9]。駱英等對比深T 梁在NSM 加固前后的抗剪承載力，得到深T 梁經(jīng)兩種試驗方案NSM 法加固后使抗剪承載力提高了45%、65%[10]。張智梅等基于有限元軟件，構(gòu)建NSM-CFRP板條的T型梁模型，通過分析，得到加固梁的極限承載力及撓度隨混凝土強(qiáng)度的降低大幅下降，剪跨比增加時，CFRP 板條利用率隨之提高[11]。Diab 等研制了一種人工非機(jī)械錨固裝置，對經(jīng)NSMBFRP筋抗剪加固的鋼筋混凝土t型梁進(jìn)行加載試驗，得出使用NSM-BFRP 筋加固可使t 型梁的抗剪承載力提高8.3%～46%，此外，使添加錨固的加固梁承載力提高39.6%～81.6%[12]。Sharbatdar 等考慮長度、是否錨固、加固傾角等參數(shù)分析NSM 法對剪切加固鋼筋混凝土梁的有效性，發(fā)現(xiàn)MMFRP（手工制作FRP）筋NSM法加固混凝土梁可顯著提高梁抗剪承載力，使梁裂縫寬度減小，抑制裂縫的蔓延[13]。

NSM-FRP 加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要破壞模式包括：FRP 拉壞、截面粘結(jié)破壞、FRP 或內(nèi)嵌部位混凝土劈裂破壞。綜上，鋼筋混凝土梁經(jīng)NSM-FRP 抗彎加固后，梁的承載力可以得到顯著提升，撓度有所減小，同時，變化內(nèi)嵌FRP 種類時，承載力提升幅度也隨之變化，調(diào)整FRP 的嵌入長度可以改變加固梁的破壞模式。鋼筋混凝土梁經(jīng)NSM-FRP 抗剪加固后除承載力得到大幅提升外，加固梁裂縫開展得到延緩，撓度受混凝土強(qiáng)度影響顯著，且增加剪跨比可以增加內(nèi)嵌FRP的利用率。

2 NSM-FRP加固結(jié)構(gòu)耐久性

經(jīng)NSM-FRP 法加固的混凝土結(jié)構(gòu)不可避免長期受到惡劣服役環(huán)境的劣化影響，因此，在對加固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，需針對NSM-FRP 加固結(jié)構(gòu)耐久進(jìn)行探究。以下將分別從加固材料FRP 和FRP-混凝土粘結(jié)性能兩方面耐久性進(jìn)行研究成果的總結(jié)分析。

2.1 FRP耐久性

鄧宗才等研究鹽、堿環(huán)境對BFRP筋、GFRP筋與CFRP筋抗壓強(qiáng)度的影響，得到三種筋材在堿溶液中強(qiáng)度損失較在鹽溶液中嚴(yán)重[14]。陸春華等將GFRP 筋在水、堿溶液和鹽溶液三種介質(zhì)中浸泡一定齡期后對其進(jìn)行拉伸試驗試驗。結(jié)果顯示，使GFRP 筋拉伸強(qiáng)度損失程度由大到小的介質(zhì)依次為：堿溶液＞鹽溶液＞清水[15]。Wu 等研究了不同溫度條件下酸、堿、鹽溶液中BFRP 筋的殘余拉伸性能，得出BFRP 筋彈性模量幾乎不受堿溶液影響，其拉伸強(qiáng)度受堿性溶液影響較其他三種介質(zhì)（鹽溶液、去離子水以及酸性溶液）影響嚴(yán)重[16]。Benmokrane 等研究了不同類別FRP 筋在模擬堿性混凝土環(huán)境中的耐久性，試驗結(jié)果表明：筋材拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度受纖維、樹脂類型和浸潤劑的影響，CFRP 筋的抗拉強(qiáng)度和抗堿性最強(qiáng)，其次是BFRP筋和GFRP筋[17]。

2.2 FRP-混凝土粘結(jié)性能耐久性

付俊俊對多個經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)的NSM-CFRP板條的混凝土試塊進(jìn)行單剪試驗，得到凍融循環(huán)作用對樹脂-混凝土的界面損傷率大于CFRP-樹脂界面[18]。鞏家宗等對氯鹽干濕循環(huán)作用下NSM-FRP 筋混凝土試塊進(jìn)行拔出試驗，得到環(huán)氧樹脂試件的粘結(jié)承載力隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸下降，高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（HPFRC）耐久性較環(huán)氧樹脂優(yōu)越[19]。張海霞等對鹽腐蝕環(huán)境下NSM-FRP 筋加固混凝土試件進(jìn)行單端拉拔試驗，得到鹽腐蝕環(huán)境會加劇黏結(jié)界面失效破壞；其他條件相同時，BFRP 筋試件黏結(jié)應(yīng)力下降程度較GFRP 試件嚴(yán)重[20]。Azevedo 等利用NSM 技術(shù)，就高溫作用對混凝土和CFRP 板條之間粘結(jié)性能的影響進(jìn)行了試驗和數(shù)值研究，得到溫度接近和超過粘合劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度總體降低，在溫度高于粘合劑的溫度時會加劇此現(xiàn)象的發(fā)生[21]。

由上述研究成果可以看出，GFRP 筋以及BFRP 筋的拉伸強(qiáng)度均受堿性溶液影響程度較大，受其他三種介質(zhì)（鹽溶液、去離子水以及酸性溶液）的影響程度弱于堿性溶液，CFRP 筋抗拉強(qiáng)度及抗堿性能均強(qiáng)于GFRP 筋以及BFRP 筋。此外，凍融循環(huán)作用對樹脂-混凝土界面以及FRP-樹脂界面的損傷率有所不同，同時，NSM 粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度受溫度影響較大。

3 結(jié)語

本文從NSM-FRP 加固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能以及耐久性兩方面介紹了NSM-FRP 加固技術(shù)的研究進(jìn)展?；谏鲜龅难芯楷F(xiàn)狀，目前關(guān)于NSM-FRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)短期力學(xué)性能方面的研究已取得豐富成果；在NSM-FRP 加固技術(shù)的長期結(jié)構(gòu)耐久性研究方面，雖已存在大量相關(guān)成果和報告，但大多基于人工實驗室加速劣化方法，研究試驗條件具有差異性，還沒有較完備的NSM-FRP 加固結(jié)構(gòu)耐久性試驗規(guī)范。根據(jù)上述的研究成果，得到如下結(jié)論：

⑴對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行NSM-FRP 抗彎、抗剪加固后，結(jié)構(gòu)承載能力均得到顯著提升，裂縫寬度減小，且使用CFRP筋較BFRP筋承載力提升幅度大。

⑵FRP 筋在堿性腐蝕溶液中的強(qiáng)度損失程度較在鹽溶液與清水環(huán)境中大，CFRP 筋抗堿性能優(yōu)于BFRP 筋和GFRP筋。

⑶FRP-混凝土粘結(jié)性能受溫度變化影響，當(dāng)溫度接近和超過粘合劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高總體呈降低趨勢。

⑷由于實際工程結(jié)構(gòu)服役環(huán)境多樣、復(fù)雜，NSM-FRP加固結(jié)構(gòu)的長期耐久性能仍需深入研究在多因素耦合環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失規(guī)律，有待建立更完善的設(shè)計方法，用以滿足實際工程應(yīng)用。