摘要　连续纤维增强塑料(FRP)加固修补混凝土结构技术的研究、开发，遍及世界许多国家和地区。在一些国家，此项技术已成为土木建筑工程中混凝土结构加固修补的主流技术。本文主要介绍碳素纤维增强塑料(CFRP)加固修补技术在日本的开发应用与研究概况。

 

关键词 混凝土结构，FRP加固，CFS，环氧树脂，CFRP

 

1961年日本研制出高强度型PAN系碳纤维。之后，又研制出高弹性模量型碳素纤维。碳纤维质轻、高强、高弹、耐久、抗腐蚀，是一种高性能的新材料。早期碳纤维用于航天等高科技领域，随后进入飞机、汽车、轮船等制造业，文体用品制造业以及土木建筑工程领域。

日本土木建筑工程中高性能复合材料的应用开发，集中在两个领域：

(1)不使用钢材，仅使用高性能新型复合材料增强混凝土及其预应力体系；

(2)使用高性能复合材料修补、加固、改造既存混凝土结构。

 

以上二者都是受日本的具体国情所驱动，它们是：

——海洋环境和其他浸蚀性环境中的钢筋混凝土结构遭受严重的腐蚀，开发坚固、耐久、抗腐蚀的结构体系已是必然趋势。

 

——既存土木建筑结构物维修、加固，震灾后土木建筑结构物的修复、改造，都急需高效、便捷的新技术。

 

——90年代初日本公路桥梁设计荷载增大。为适应法定车辆荷载，大量服役期桥梁面临增强改造，开发既存桥梁增强技术成为一个热门课题。

 

碳纤维增强塑料修补加固混凝土新技术最先由日本开发出来。这项新技术的研究大约开始于1980年。1984年第一次试用于既存结构物，当时使用碳纤维片(CFS)修补了一座铁路桥桥墩的裂缝。直到1990年前后，使用这种复合材料补强的实际工程项目每年只有2－3例。随着开发研究范围的扩大和研究内容的深化，加之1995年兵库县大地震修复工程中使用了CFRP修补加固技术，试验研究的结论和工程使用的效果表明，此项技术施工便捷，性能优越，使CFRP加固混凝土技术升至既存混凝土结构维修补强技术的前列，需求量逐年增加。

 

FRP是高性能复合材料，它由两部分组成：

1.高抗拉强度的连续纤维束；

2.环氧树脂，其作用是与纤维束粘聚，固化后结为整体。

2.1纤维 常用的高性能纤维有三种(如表)：

(1)碳纤维。分为高强度型与高弹性模量型，高强度型碳纤维的抗拉强度是普通钢的10倍多，弹性模量与钢相近而略高。高模量型碳纤维的弹性模量是钢的1.8～3倍，强度则是钢的6～8倍。

(2)芳纶纤维。也分为高强度型和高模量型。与碳纤维相比较，芳纶纤维弹性模量很低，但延伸率远大于碳纤维。

(3)玻璃纤维。

玻璃纤维与高强度芳纶纤维的力学特性几乎相同。

日本制造的纤维片是将纤维束按设定的方向排列在一个平面内，并用少量粘结剂粘贴于基网上，或将纤维束编织成布片状。按纤维材料的不同，纤维片产品有碳纤维片，芳纶纤维片(AFS)和玻璃纤维片(CFS)，纤维片又可区分为单向片，单向预浸片，单向织物，双向织物四种。单向片中纤维束只按一个方向排列，双向织物中纤维束则按纵横两个方向排列。片中纤维数量定义为每平方米内的纤维重量

 

纤维片厚度随每平方米内纤维量的多少而不同，市售的10余种纤维片，其厚度在0.111mm～0.430mm之间。纤维片产品以几种不同的幅宽和长度(例如50cm×100cm)成卷供应。

浸渗粘着树脂。它的作用有二：(l)浸渗入纤维片，使环氧树脂与纤维片二者结为一体形成纤维增强塑料片(FRPsheet)；(2)将FRP片粘着于已固化的底层涂料上，使FRP片与混凝土结为整体共同受力。

 

底层涂料。为使FRP片与混凝土粘结牢固，通常在混凝土表面涂抹底层涂料。底层涂料能浸渗入混凝土以增强二者的粘着效果，但浸渗的程度随不同的产品而有差异。底层涂料的粘着强度约为2Mpa。

 

3、施工体系和程序 FRP片加固维修混凝土结构的示意图如图2，其方法有10余种，其中绝大部分仅在细节上有差别。若按FRP片浸渗成型的先后来区分，可分为两个系列。

 

3.1现浸片体系 它的特点是将纤维片附于混凝土表面，然后浸渗树脂、固化成型，粘贴浸渗在一道工序里完成。利用纤维片变形的和易性可以随构件的外形粘贴、缠包。现浸体系施工方法是主导的混凝土加固方法，在日本广为使用。

 

先将环氧树脂浸渗纤维片，固化成FRP片，再用于加固混凝土结构。

方法之一是：将FRP片粘贴于混凝土构件表面，这种方法比现浸体系施工速度快。

方法之二是：将FRP片安放在钢筋混凝土柱脚周围构成封闭的整体，然后在FRP片与钢筋混凝土柱之间填塞混凝土。

 

方法之三是：最近有的厂家推出FRP正交网格状预浸片，其加固方法是用锚钉将预浸网格片锚固于混凝土表面，再做封闭处理。

 

以FRP片为代表的加固修补混凝土结构新技术，与日本传统的钢封包技术及混凝土封包技术相比较有显著的优势，是对传统加固技术强有力的补充。此项新技术的优势主要有：

(1)FRP片轻且薄。几乎不增加结构重量，几乎不占用建筑空间。

(2)高强度。若以所能提供的抗拉强度与耗用材料的数量(质量)比，即强度质量比来对FRP与钢材进行比较，则更能显示FRP的优异性能。

(3)试验表明，FRP具有良好的抗疲劳、抗腐蚀、耐久防水等性能。

(4)施工便捷。

 

5、目的和对象 FRP具备优异的抗拉性能。在加固的混凝土构件中能起到直接钢筋和间接钢筋的作用。FRP又具备防腐作用，有时为了防腐这样单一的目的，也将FRP片粘贴于混凝土表面，起封闭作用。在FRP加固工程项目中，以桥梁和房屋项目最多，两者之和约占全部加固工程项目的70%。

 

关于应用连续纤维补强加固建筑物构件的研究工作，在1978年首先发表了关于剪切加固RC柱的论文，随后对于环包方法加固既存RC柱的研究论文相继发表，而在1995年兵库大地震后，这方面的研究工作则更加活跃。

在文献[11]中，对处于压缩状态下沿环向缠包粘结纤维材料对砼的束缚作用进行了实验研究，结果表明：对在直径为100-200mm的圆柱试件，补强材料可以提高其压缩强度和延性。文中提出了一个用连续纤维缠包的砼柱的应力—应变模型。

在文献^[10]中研究了环向的缠包补强材料对粘着强度的影响。

在文献[^{2，3，5，9，11]}中研究了沿环向缠包碳纤维补强材料对RC柱的剪切加固作用，结果表明：它能增加RC柱的抗剪强度和延性，并随材料用量而增减。

在文献^[3，6，8]中研究了砼表面处理和柱的倒角的影响，指出后者的处理对防止因应力集中造成纤维补强材料破断是非常重要的。

 

在文献^[5，6，11]中研究了因地震受损的RC柱的加固补强效果，事实表明利用向裂缝中灌注环氧树脂和环向缠包碳纤维补强材料的办法，可以恢复或增强受损RC柱的抗震能力，

 

在文献^{［1，3，6，11，12］}中研究了使用碳纤维片的数量对RC柱延性的影响。

 

在文献^[5]中对受损面沿纵向粘贴碳纤维的RC梁的弯曲强度进行了实验研究，实验结果显示，其弯曲强度随粘贴材料的数量而增加。

 

在文献^[4]中进行了疲劳实验研究，并证实了碳纤维有良好的抗疲劳性能；其中对RC梁的剪切加固的实验研究表明，连续纤维补强材料与砼之间粘贴密实，环向缠包方法对RC梁的剪切补强也是有效的。在既存的建筑物补强加固中往往因RC梁和板的连结处难用缠包方法，因此对补强纤维材料锚固区的固定方式作了实验研究。 对于RC板的弯曲加固进行了实验研究，在静弯曲和疲劳实验中，结果显示补强后增加了试件的刚度和弯曲极限强度；疲劳强度约为静弯曲强度的50-60％，并研究了粘着强度与碳纤维用量和疲劳实验上限负荷的影响。 除此之外，在文献^{[6，9，11，13]}中对纤维片的粘着性质、材料的耐久性能、抗腐蚀性能及防火性能作了研究。

 

FRP新技术及其工法系列，80年代用于混凝土结构物补强加固维修工程实践，90年代以来得到推广。除日本以外，美国、加拿大、韩国，均有应用实例，效果良好，效益显著。一言以蔽之，FRP技术体系，以其优异的技术特征、广泛的应用领域、低廉的综合施工成本，是对混凝土结构物传统补强方法的重大突破。

 

为了适应我国混凝土建筑物加固技术的发展，北京特希达科技有限公司率先引进日本FRP新技术、新材料，并获得了良好效果。相信在开拓我国建筑补强技术新领域的过程中，FRP有广阔的发展前景。 在本文写作过程中，承蒙中国建筑工程总公司北京设计研究院陈祥福总工程师、北京建筑工程学院邵震豪教授大力协助，特致衷心的谢忱。