浅谈建筑结构中复合材料的应用现状

浅谈建筑结构中复合材料的应用现状

[摘要]概述了使用复合材料对混凝土结构进行加固的方法，总结了使用复合材料对建筑物进行加固的优点、工艺要求和施工中所应注意的一些问题，并对复合材料在建筑物的补强加固工程应用进行了展望。

[关键词]复合材料加固方法建筑结构混凝土

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：

1009-914X（2015）30-0221-01

混凝土结构已成为当今世界上建筑物的主流。长期以来，人们通常认为混凝土是一种特有的耐久性材料，用混凝土建造的建筑物具有使用寿命长和无需维护的特点。但在长期的工程实践中发现，在很多情况下，钢筋混凝土结构由于各种原因而遭受的破坏也是相当迅速而且严重的，如设计的失误、施工质量的低劣，处于高温、潮湿、腐蚀、超载等恶劣的使用环境，遭受地震、爆炸、火灾等灾害的破坏，影响建筑物的耐久性和使用寿命，社会也负担着庞大的基础设施维修和管理费用。因此对既有建筑物进行加固和维修已成为当务之急，也是可持续发展的维修、加固、改造。新建技术的开发和研究是21世纪结构工程工作者的最大课题，目前世界各国正逐渐把建设的重点转移到既有建筑的维修、改造

和加固方面。

近年来，随着新型复合材料FRP的产生和发展，用其对既有的混凝土结构进行补强和加固不失为一种简便、有效的方法，它具有传统加固方法不能比拟的优越性。采用碳纤维增强聚合物对建筑进行加固，加固效果明显且施工便捷，已经得到工程界的普遍认同。在欧、美、日等西方发达国家，这种加固、补强技术研究较早，已近产业化，而国内开展这方面的研究较晚，但发展速度很快。近年来，研究人员对FRP 材料用于结构加固已经做了大量的研究工作，许多研究成果也已经应用于工程实践，并取得了很好的效果。

1 FRP材料的研究及应用

1.1 FRP的力学性能

复合纤维增强塑料（简称FRP，即Fiber Reinforced Plastic）制成的预应力筋，它是由多股连续纤维，如玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等，采用基底材料如聚乙烯树脂、环氧树脂等胶合后，经过特制的模具进行挤压、拉拔而成型。FRP材料在成型材料的种类上可分为玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）以及芳纶纤维增强塑料（AFRP）三种。不同的纤维化学成分不同，其力学性能差别很大，相应的FRP也表现出差别很大的物理力学性质。

FRP材料的特点是：1）抗拉强度高。三种FRP材料的抗拉强度均明显超过了钢筋。2）自重轻、施工方便。FRP

的密度仅为钢材的25%左右，这样，当建筑结构中采用FRP 材料时，施工非常方便，可降低劳动力费用。另外，进行加固作业后，几乎不会对原有结构增加荷重，这对于既有结构的维修加固是非常有益的。3）弹性模量小。除了部分碳纤维材料的弹性模量与普通钢筋相近外，其余大多数FRP材料的弹性模量只约为普通钢筋的25%～70%。4）FRP材料的热膨胀系数与混凝土相近。当环境温度发生变化时，FRP与混凝土协同工作，两者间不会产生大的温度应力。

1.2 FRP材料的应用状况

1）FRP纤维混凝土。将FRP纤维用于混凝土中，可以提高混凝土的抗拉强度，增强其抗裂能力和耐久性。

2）FRP代替钢筋。FRP复合材料在长期恶劣的条件下具有良好的耐腐蚀性。

3）FRP代替预应力筋。FRP复合材料在土木工程中可以替代预应力筋，因为FRP材料密度小、重量轻、强度高，可以用作悬索桥及斜拉桥的缆索，甚至可以用作整个桥梁体系。

4）FRP型材。主要是指壳、板和管材。内填混凝土的FRP壳体系结构构件，薄壳由CFRP和环氧树脂预制而成，混凝土现场浇筑，壳对混凝土芯起到增强和模板作用，混凝土承受压力，使薄壳构件保持稳定且混凝土对相连构件起锚固作用。

2 复合材料加固修复混凝土结构技术的特点

2.1 复合材料补强加固功能

（1）提高混凝土柱承载能力和抗震性能

在大楼立柱、桥梁桥墩周围粘贴碳纤维布，可约束立柱、桥墩混凝土横向变形，改善混凝土的受力性能，提高混凝土抗压强度，增大混凝土柱的延性，有效防止混凝土发生脆裂破坏，这对混凝土柱抵御地震作用极为有利。

（2）有效提高混凝土构件的抗裂性能

在结构构件上粘贴碳纤维布可封闭原有裂缝，使其不再继续扩大延伸，可防止、延缓新的裂缝产生，而且改变裂缝的形态，形成细而密的微小裂缝，不影响构件正常使用。

（3）提高受弯构件抗弯能力

复合材料对提高受弯构件抗弯能力特别有效。在民用建筑、工业厂房、桥梁等结构受弯构件的受拉面粘贴碳纤维布可大幅度提高构件的抗弯曲能力。在基本不改变构件截面尺寸和自重的情况下，一般可提高原构件承载力的2倍～3倍。

（4）提高楼板的承载力，延长楼板的使用寿命

楼板、桥面板粘贴碳纤维布（板），可不增加楼板荷重，却能提高承载力。特别是对楼板开洞，粘贴碳纤维布可有效地改善洞边受力状态，延长楼板使用寿命。

2.2 复合材料加固修复混凝土结构的特点

1）高强、高效。可以大大地提高混凝土结构的承载力、

延性、抗裂性能；2）加固施工周期短，从将复合材料粘贴在结构构件表面到粘结胶固化，满足强度要求，只需2d～3d；3）减振性能好；4）良好的耐热性能；5）超强的防水和防腐蚀效果，复合材料具有极佳的耐腐蚀性能，不必担心建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构的腐蚀；6）复合材料之组合是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制。在复合材料成型过程中可以在其中加入添加剂，以改善复合材料的阻燃性能、耐磨性能。

3 使用复合材料加固时应注意的问题

对劣损混凝土梁的成功加固以及复合材料厚度、刚度、粘贴长度的选择应考虑：1）既有构件的抗剪强度；2）补强后构件的破坏形态（塑性破坏）；3）补强加固后构件在使用荷载下的挠度情况。

在使用复合材料加固混凝土梁时，由于粘贴质量的好坏直接影响加固成败，所以在加固时应注意几个问题：1）严格按照复合材料加固混凝土梁的粘贴工艺要求进行施工，防止粘结剂涂抹不均匀或不足；2）补强加固梁的长期性能，包括复合材料板和胶结剂的老化性能和耐久性能；3）补强加固梁上拱情况下粘贴复合材料板的胶粘剂徐变收缩对梁

体性能的影响；4）补强后混凝土梁的耐久性、疲劳性能以及梁体的可靠性和疲劳可靠性；5）防止混凝土出现弯曲裂缝或剪切裂缝；6）防止混凝土表面凸凹不平。