1、复合材料加固混凝土结构耐久性研究摘要：世界城市的发展已经拥有了五千多年的历史，从 19 世纪中叶开始使用之后，因为混凝土以及钢筋材料性能的也在逐渐的改进，结构理论、施工技术的进步使钢筋混凝土结构得到迅速发展。本文主要探讨了复合材料加固混凝土结构耐久性。 关键词：复合材料；加固混凝土；结构耐久性 中图分类号：TV331 文献标识码： A 引言 我国在结构加固和补强方面做了大量的研究和实践，工程中常用的结构加固方法有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法和粘贴碳纤维复合材料加固法等。传统的加固方法整体水平比较落后、施工方法和施工工艺比较复杂，对结构的自重和使用面积有一定的影响，而粘贴碳
2、纤维复合材料加固法具有高强高效、耐腐蚀、施工便捷、不增加结构尺寸等优点，在工程中得到了广泛的应用。 1、耐久性问题 目前应用于加固混凝土结构的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维和复合纤维等。玻璃纤维主要包括 E 玻璃纤维(电绝缘性)、C 玻璃纤维(耐化学腐蚀性)、S 或 R 玻璃纤维(高强度)、M 玻璃纤维(高模量)和 AR 玻璃纤维(耐碱玻璃)。虽然这些纤维能够在表面形成 SiO2 保护膜,但仍普遍溶解于热酸液和 HF 中,故仍存在耐久性问题8。而粘结性树脂是上个世纪 50年代研制成功的,目前主要品种有环氧树脂、不饱和聚酯树脂(UP)、酚醛树脂、聚氨酯树脂及其它热固性和热塑性树脂。有机高分子化合物结
3、合键的不稳定性使得它在不同环境条件下的老化和劣化成为必然。 由于混凝土结构耐久性评估具有随机性、灰色性的特点，我国当前一些学者以灰色关联分析为基础，结合模糊识别理论，利用信息熵和复合权重的概念，综合考虑了专家经验和检测数据固有信息的重要性，这种评估方法使评估结果更加客观、准确。对于氯离子环境下的耐久性评估方法，一些学者将混凝土表面氯离子浓度和保护层厚度作为随机变量，将扩散系数作为随机过程，建立了混凝土保护层中氯离子浓度分布的随机模型，推导出了氯离子浓度的均值，用于计算钢筋开始锈蚀时间。现在的耐久性评估标准大多采用“优、良、中、差”这样的等级标准划分，但是这样的划分标准在实际工程中的准确性并不高
4、，比如处在两个等级边界的构件该如何评估等级，这说明这样的等级标准划分只是属于模糊划分，为了找到一个更有效的评估方法，而一些学者等将基于模糊数学理论的模糊综合评估系统用于结构的耐久性评估，在混凝土结构耐久性模糊综合评估体系的基础上，在耐久性等级划分标准已知的前提下，充分挖掘实测数据中的信息，提出了一种确定指标权值的新方法。 2、解决途径 2.1、材料方面 合理提高复合材料加固混凝土结构的耐久性,首要的工作是如何提高复合材料自身的耐久性。在研究耐环境腐蚀的纤维和结构树脂,如耐碱纤维、改性树脂等方面展开工作。由于基体与纤维的粘结性能取决于下列因素:基体分子在纤维外表面的吸附;基体官能团与纤维活性点及
5、纤维官能团之间化学键的形成;机械嵌入(即基体渗入纤维表面的坑或裂缝)。因此在制备复合材料时,纤维与基体间的粘结性能可以在浸渍工序之前,采用适当的纤维表面处理而得到改善。处理可以采用氧化(如在空气中的高温氧化(HT0),用原子氧进行低温氧化(IJ0),在高锰酸钾、硝酸、双氧水等的水溶液中氧化以及阳极氧化),也可采用非氧化(如抽丝和热解沉淀)法处理。纤维表面处理能提高复合材料的层间剪切强度。另外,可以采用适当掺加增韧剂(比如 HT-T220 增韧剂)来提高基体树脂的耐久性。2.2、结构方面 一方面,应在大量加速试验的基础上,获取合理的力学性能折减设计参数;另一方面,在结构加固设计时,要有综合的设计
6、概念,既要对需加固部位进行强度补强,也要充分顾及材料强度劣化和失效后的结构变形或破坏特点。相对混凝土而言,复合材料具有一定的腐蚀环境敏感性,结构设计要因环境不同而有所差异。 2.3、施工方面 施工的合理顺序和施工质量将是实现复合材料加固混凝土结构耐久性的重要保障。如基层混凝土要去脂和去除疏松层;有裂缝处必须适当凿去裂缝周围混凝土,用环氧胶填补;有垂直转角处必须做成大于 20mm 的圆角;底胶要饱满;固化前要进行检查,有空鼓处需灌胶补满;纤维布条一般搭接长度不小于 150mm。复合纤维在施工过程中要注意保护,尤其是碳纤维,不能有刻痕和其他损伤;树脂的级配要严格,操作时间要恰当。施工后的良好养护也
7、是影响复合材料加固混凝土结构耐久性的重要环节。另外,复合材料外要做耐久性覆盖层,包括防水、防腐蚀和防火覆盖层等。 2.4、维修管理方面 如同新建混凝土结构一样,复合材料加固混凝土结构耐久性也与维修管理密切相关。定期的维修,如油漆、粉刷、覆盖层裂缝封闭、防火涂料等可以有效地延长加固寿命。定期的检测是必要的,可采用激振器来判断粘结的缺陷情况。 3、复合材料在加固混凝土结构之中起的作用 3.1、提高受剪承载力 碳纤维布对构件抗剪的贡献类似于箍筋的作用，与混凝土共同承受剪力。另外，碳纤维布具有对核心混凝土的约束作用，并能承担拉应力，防止主筋过早屈服，抑制剪切裂缝的出现和发展。因此，碳纤维布可以明显提高
8、钢筋混凝土构件的受剪承载力，增强构件的变形能力。 3.2、提高受弯承载力 由于碳纤维布具有抗拉强度高的特性，可以将碳纤维布粘贴在构件的受拉表层，使之与混凝土共同承担拉应力，以提高构件的受弯承载力，达到加固补强的目的。粘贴碳纤维布后，受弯构件的受弯承载能力明显提高，有效的抑制了裂缝的开展，构件的变形能力和延性性能得到显著改善。 3.3、提高抗震能力 由于碳纤维布能够约束构件的开裂，提高构件的刚度和抵抗变形的能力，当需要提高构件的抗震能力时，亦可用碳纤维布进行增强和增韧。尤其对于钢筋混凝土梁柱节点和受轴向力作用的钢筋混凝土柱，往往要求进行构件的抗震设计。采用碳纤维布粘贴于梁柱节点范围，或对钢筋混凝
9、土柱进行包裹，可以明显改善结构中混凝土构件的延性，增加耗能能力，具有良好的抗震加固效果。 3.4、提高抗疲劳能力 用碳纤维布进行钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁的加固，经 200万次重复荷载作用后，加固构件的强度和刚度不会降低，也不会发生剥落和脆断现象。如果采用预应力碳纤维布加固的形式，预应力碳纤维布的存在，使构件中纵筋的应力幅值有所降低，减少了发生疲劳破坏的可能。而始终处于高应力状态的碳纤维布具有良好的抗疲劳性能。其综合效应使所加固构件的疲劳寿命大大提高，疲劳变形有所减小，构件的疲劳抗裂性能得到较大提高，从而延长构件的使用寿命。 4、结语 复合材料加固混凝土结构存在耐久性。这种耐久性不仅与加
10、固采用的复合材料有关,而且还与设计、施工和维护管理等有关,需要引起工程技术人员的高度重视。所选高强复合纤维在酸性介质中的快速试验结果表明,在浸蚀的初期,抗拉强度和变形能力降低,但对弹性模量影响不大;经过一段时间后,抗拉强度有一定的回升。 参考文献： 1邓宗才,牛翠兵,杜修力,刘景园.FRP 加固混凝土结构耐久性研究J.北京工业大学学报,2006,02:133-137. 2唐智,于峰,孟宏睿.FRP 加固混凝土结构耐久性研究J.山西建筑,2007,22:15-16. 3杨勇新,王敬,张小冬.碳纤维布加固混凝土结构耐久性能初步研究J.港工技术,2002,02:25-27. 4侯万亮,赵小明.纤维复合材料加固混凝土构件耐久性研究J.中州煤炭,2005,02:8-17.
