FRP加固技术研究概述

1FRP加固技术研究概述摘要:鉴于双面直接剪切试验获得混凝土的强度—变形曲线较难实现，通过适当的试验测试技术，对钢纤维高强混凝土的抗剪强度—变形曲线进行了测试并取得了理想效果，试验表明，抗剪试验方法对钢纤维高强混凝土具有很好的适用性。关键词：钢纤维高强混凝土抗剪变形中图分类号:TU528.572文献标识码:A引言随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高，在有些条件下，传统建筑材料很难满足这种发展要求。例如，长期以来，人们一直以为混凝土像石材那样坚固，对它的配筋后的钢筋锈蚀后果认识不足。许多问题是在长时间的使用过程中暴露出来以后才逐渐认识到的，比如过去冬季施工时在混凝土中掺入大量氯盐防冻，结果造成钢筋严重锈蚀，即使像人民大会堂这样显赫的工程至今也不能逃脱大规模翻修加固的厄运。规范的设计水准要求偏低，较少顾及长远需求，还有左倾政治运动影响，这些都对建筑物的质量带来了负面作用。改革开放后土木工程规模不断扩大并向海洋等更加恶劣的环境中延伸，混凝土材料在不少环境条件下并不像当初设想的那样耐久。我国是一个多地震的国家，有2/3的大城市处于地震区，存在着大量未考虑抗震设防的建筑和因设防烈度提高而使原有按低烈度设防的建筑又不能满足相应抗震要求的情况。建筑物的使用寿命一般不能保证50年，多数建筑物在20-30年左右就必须进行大修或维修加固。此外，由于结构用途改变、荷载增加、自然灾害的作用、设计存在失误或标准较低、施工质量差、环境侵蚀及维护不善、材料老化等问题的存在使既有的结构存在承载力不足或使用功能不满足要求等问题。为了改善这些结构的使用性能，提高结构抗力，延长其服务年限，需要进行重建或加固。从环境保护和经济方面来看，在许多情况下对结构进行加固比重建更为合理，特别是在可以使用快速有效、简便的加固方法的情况下，加固尤其有效。1目前在我国关于钢筋混凝土结构的加固方法有很多，传统的有大截面的加固法、外包钢加固法、预应力加固法，改变结构传力途径加固法等等。传统的加固方法改善结构的刚度、强度及抗震性能方面起到了一定的作用，并且大都已用于实际工程中。然而，这些加固方法都存在一定的不足，如自重大、抗腐蚀性能差、对结构的使用功能及美观造成很大的影响等。FRP优良的材料特性使该加固方法有以下主要技术优势：高强高效；不影响结构自重及尺寸；施工方便，操作性强，不需要大型施工设备，施工占用空间少；适用于各种类型和形状结构部位的加固修补；抗疲劳、耐腐蚀性能好。因此在土木工程加固领域得到广泛研究及应用。1FRP材料纤维复合材料(FiberReinforcedPlastics，简称FRP)由纤维和树脂组成。纤维是增强材料起加劲作用，基体材料起粘结、传递剪力的作用。复合材料由增强材料和基体构成，根据复合材料中增强材料的形状，可分为颗粒复合材料、层合复合材料和纤维增强复合材料等。FRP只是复合材料中的一种。常用的FRP的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等，纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO(聚对亚苯基苯并双口恶唑)纤维以及金属纤维等。目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维(carbonfiber)、玻璃纤维(glassfiber)和芳纶纤维(aramidfiber)增强的树脂基体，分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。纤维复合材料按形式可分为布材、板材(板和板条)、棒材(筋和格栅)、型材及短纤维。[2]21.1FRP力学性能FRP的密度为1.25-2.1g/cm3，是钢筋密度的1/4左右。3种FRP材料的抗拉强度都明显高于钢和铝，而且在达到抗拉强度之前几乎无塑性变形产生。几种常见的FRP材料的力学性能见表1所示。表1常见几种FRP与钢、铝力学性能比较[3]材料种类比重拉伸强度（GPa）弹性模量（GPa）热胀系数（10-6/℃）延伸率（%）比强度（GPa）比模量（GPa）玻璃纤维E2.553.5745.04.81.3729S，R2.494.9842.95.71.9734M2.893.51105.73.21.2138AR2.703.373.16.54.41.1927C2.523.368.96.34.81.3127碳纤维标准型（T300）1.753.5235-0.411.52.00134高强型（T800H）1.815.6300-0.561.73.09166高模型（M50J）1.884.0485-0.60.82.13213极高模型（P120）2.182.2830-1.40.31.01381芳纶纤维Kelvar491.443.6125-2.02.52.5087Kelvar1491.452.9165-3.61.32.00114HM-501.393.177-1.04.22.2355钢HRB400钢筋7.80.4220612180.0526高强钢绞线7.81.86200123.50.2426铝2.70.63742230.23271.2抗腐蚀性与钢材相比，FRP材料均具有良好的抗腐蚀性，尤其是对酸、碱及氯盐等物质的化学腐蚀有很强的抵抗力。在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区及近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构以抵抗冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。1.3粘结性能FRP与混凝土的粘结性能是外贴FRP加固混凝土结构技术的一个关键问题。两者之间具有良好的粘结性能是保证FRP与混凝土共同受力变形的基本前提。影响粘结性能的主要因素有FRP的形式、几何尺寸、材料性能等。类似于钢筋混凝土之间的粘结，FRP筋与混凝土之间的粘结主要有两者表面的粘结力(化学粘结力)、接触面上的摩擦力和机械咬合力组成。FRP与混凝土粘结性能的研究表明，FRP与混凝土粘结界面的破坏模式主要有5种：①混凝土剪切破坏；②FRP拉断破坏；③粘结胶层剪切破坏；④FRP与粘结胶界面剥离破坏；⑤混凝土与粘结胶界面剥离破坏。在粘结材料质量和施工有保证的条件下，一般发生的是混凝土的受剪破坏。1.4耐久性能耐久性能是FRP长期性能的一个重要方面，对FRP耐久性能的研究主要是通过室内加速试验来推断FRP的长期性能。实验结果表(表2)，CFRP表现出良好的耐久性能；GFRP的耐碱性能比较差，而耐酸性能和冻融循环性能比较好；AFRP除了疲劳性能、紫外线辐射及耐酸性能较差外，其余环境条件下的耐久性能比较好。表2FRP的耐久性能[4]性能FRP种类指标CFRPAFRPGFRP3耐碱性能95%92%15%耐酸性能100%60-80%100%紫外线辐射100%45%81%静力疲劳91%46%30%动态疲劳85%70%23%冻融循环100%100%100%高温性能80%75%80%耐火性能75%65%75%注：表中数据为相对于其静力强度的百分比。1.5具有很好的可设计性FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计。与混凝土相比较，一般的FRP材料的防火性能较差，主要是由于多数树脂在高温下会软化，在树脂达到软化温度时(通常为70℃左右)力学性能会大大降低，达到玻璃化温度(通常为300℃左右)时性态就会发生转变。但在FRP的树脂材料中可掺入阻燃剂，提高其抗火性能。目前掺入阻燃剂的环氧树脂复合成的CFRP，表面再进行防火处理，其效果已经可以与混凝土结构相媲美了。经济性也是所有工程师和使用者都很关心的问题。仅从材料价格上看，FRP结构和FRP组合结构与钢筋混凝土结构相比没有竞争力，但由于自重轻，并考虑到FRP材料耐腐蚀所带来的低廉的维护费用，采用FRP材料的综合经济效益是值得重视的。另外，由于FRP目前在工程结构中还处于初期应用阶段，初期费用是偏高的，随着应用量增大，FRP产品生产规模扩大，其成本势必大大降低。以我国CFRP布加固混凝土结构为例，其价格从初期2000元/m2降低到目前500元/m2左右，就是一个很好的例证。1.6FRP的制备工艺与产品形式制备成型是保证FRP中纤维和基体共同工作的前提。FRP的力学性能对制备工艺的依赖性很强，因此在FRP结构的设计中必须考虑制备工艺。不同制备工艺得到的产品形式也有较大的差别。在结构工程中，应用的FRP的产品形式主要有:片材(纤维布和板)、筋材和索材、网格材和格栅、拉挤型材、缠绕型材、模压型材及手糊制品等。纤维布是目前应用最为广泛的形式。它由连续的长纤维编织而成，通常是单向纤维布，使用前不浸润树脂。目前纤维布主要应用于结构工程加固，用树脂浸润后粘贴于结构表面。FRP板是将纤维在工厂中经过层铺、浸润树脂、固化预成型而制成，施工中将其粘贴或机械锚固于结构表面。纤维布一般只能承受单向拉伸，FRP板可以承受纤维方向上的拉和压，它们在垂直纤维方向上强度和弹性模量均很低。FRP筋是采用单向成型工艺(如拉挤)，将单向长纤维与树脂混合成型为棒材，可对其表面进行处理，以增强其与混凝土的粘结。FRP索是将连续的长纤维单向编织，再用少量树脂浸润固化或不用树脂固化而制成的绳索状FRP制品。FRP筋材和索材可在钢筋混凝土结构中代替钢筋和预应力筋，还可用于大跨索支撑结构、张拉结构和悬索结构。将长纤维束按照一定的间距相互垂直交叉编织，再用树脂浸润固化可形成FRP网格材或FRP格栅。FRP网格材可替代钢筋网片，三维的FRP网笼可替代钢筋笼。FRP格栅则可直接用于结构中作为楼面或制成夹心板等构件。拉挤工艺是将纤维束或纤维织物通过纱架连续喂入，经过树脂胶槽将纤维浸渍，再穿过热成型模具后进入拉引机构，按此流程可制成连续的FRP制品。拉挤工艺可生产出截面形状复杂的连续型材。由于拉挤型材中纤维主要沿轴向，且纤维含量高，有很好的受力性能，可直接作为受力构件，也可以与其他材料组合受力。但拉挤型材的横向强度和剪切强度较低，一般在拉挤成型工艺中均需同时复合一定数量的毡，并且在应用中也需给予重视。FRP缠绕型材是将连续纤维束或纤维织物浸渍树脂后，按照一定的规律缠绕到芯模(或衬胆)表面，再经过固化形成以环向纤维为主的型材，常见形式有管、罐、球等。缠绕型材也可获得较高的纤维含量，4力学性能较好，可承受很大的内压，已广泛用于压力容器、管道。在工程结构中，FRP缠绕管内充填混凝土可作为柱、桩，甚至梁，构件性能可优于普通钢管混凝土。模压型材是将预浸树脂的纤维或织物放入模具中进行加温加压固化成型制成的FRP型材。可采用长纤维，也可以是短纤维或纤维织物。这种工艺生产出的型材尺寸准确、表面光洁、质量稳定，但通常纤维含量较低，力学性能较差。对于一些尺寸较大或形状复杂的型材，一般采用常温低压接触成型工艺，即在室温低压或无压下用树脂将纤维和织物粘接成型的方法，以前都是人工操作完成，因此称为手糊。这种方法可生产出形状复杂、纤维铺陈方向任意、大尺寸的FRP产品，但产品质量不易稳定。但随着袋压法、真空法、喷射法等加压方法的应用，以及一些辅助设备的出现，使得手糊工艺的产品质量和工作效率大幅提高。目前在低压接触成型的基础上，又发展有树脂传递模塑(RTM)、喷射等工艺，可生产出性能和形式多样的FRP产品。此外，还可以对FRP产品进行二次加工，将不同的FRP产品进行合理组合，或者将FRP制品与传统结构材料组合形成FRP组合结构，以满足工程要求。2FRP加固技术研究现状在加固修复方面，用得最多的材料形式是片材，其次是棒材。在片材中，布状材料使用量最大，且技术最成熟，美国、日本、加拿大、西欧等国均已有了相应的标准、规范。而筋材在结构加固中主要用于桥梁的体外预应力加固。由于良好的耐腐烛性、耐疲劳性能以及易于施工等性能，近年来其用量正逐渐增长，研究成果也增多，相应的标准规范也相继得到了编制。1991年，美国混凝土协会成立了应用研究的组织委员会，并于年公布了一个关于的综述报告，详细介绍了的性能、试验方法、设计方法、工程应用等方面的研究现状；1993年，日本首先颁布了《加固混凝土结