FRP加固混凝土结构的最新研究进展

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广州化工

21 0 0年 3 8卷第 1期

F P加固混凝土结构的最新研究进展 R赵洪凯，高慧婷，赵广宇(吉林建筑工程学院，吉林长春 10 2 ) 30 1

摘要：针对钢筋混凝土结构中因损伤影响结构安全的问题，国内外学者开展了关于 F P加固混凝土性能的广泛研究。分析 R总结了 F P外贴加固混凝土、R R F P筋增强混凝土结构的现有技术水平、R F P索在桥梁中的应用现状以及 F P加固材料树脂基体的现 R状，并阐述关于 F P在温度、 R湿度、干湿循环、化学侵蚀、自然老化等各种环境条件下耐久性的研究进展，出 F P在我国将有广阔的指 R市场和应用前景。

关键词：混凝土结构；纤维增强聚合物；耐久性

Re e r h Pr g e sOlF s a c o r s i RP Ren o c d Co c ee S r cu e i f r e n r t tu t rZHAO n—k i GAO i—t g, Ho g a, Hu i n ZHAO an—y Gu g M

(inA ci cua a dCvl n ier gIstt, inC a gh n10 2 ) J i rht tr n i g e n ntue J i h nc u 3 0 1 l e l iE n i i lA b t a t:W i e p c o t eprblm fifu n e o tu t r aey d e t ma e i h e no c d c nce esr c sr c t r s e tt h o e o l e c fsr cu a s ft u oda g n t e r if r e o r t tu— h n l

tr u e,s h lr o h a o n b o d h d c n uce x e sv e e r h s o h e fr n e o RP r i o c d c n c oa sb t t h me a d a r a a o d td e tn ie r s a c e n t e p roma c f F e n r e o— fc e e Th tt ft e a to o e n fF rt. e sae o h r fc v r g o RP t en o c d c n r t n RP en o c d c n r t tu tr h e p e e i wih r if r e o c ee a d F r i fr e o c ee sr cu e,t r s nt

st ai n o p lc t n o iu to fa p ia

i fFRP c b e n brd e s wel a r s n i t n o e i ti f FRP en o cn tra o a ls i i g s a l s p e e tst i fr sn marx o ua o r i fr i g ma e l i we e a lz d a d s mmaie r nay e n u rz d,a d a v n e n r s a c s o h u a ii fFRP n e a iu n io me tlc n i n d a c si e e r he n t e d r b l y o t u d rv ro s e vr n na o d—

t n r s fe p rtr, u d y dyadw t i ua o, hmi t c, a rl g g ec w r dsr e .I i s nt m eaue h mii, r n e c c l i c e c a ak nt a a n, t, ee ec bd t o i e ot m t r tn l a t u i iwa on e u ha RP wo l a e b o d ma k ta d a l ai n p o p c n o rc unr . s p it d o tt tF u d h v r a r e pp i to r s e ti u o t n c y Ke r y wo ds:c n r t tucu e;fb rr i o c d p lme;d r b lt o c ee sr t r i e en r e oy r u a ii f y

混凝土结构的养护、测和维修加固是当今世界土木工程检领域关心和研究的焦点，是各国政府十分重视的问题。纤维增强聚合物 (简称 F P以其优良的物理力学性能在土木工程的加 R)固、补强等方面得到了广泛应用。

自然环境下，受到紫外线、水、害等因素的影响，R易雨盐 F P材料

产生不同程度的劣化。为了提高 F P的耐候性，这种新型的 R使复合材料在恶劣环境下能够更好地发挥作用，有研究表明采用表面保护的方法较好。针对土木工程中所使用的 F P材料的耐火能力， R目前国外

1 F外贴加固混凝土技术现状 I与其他国家相比，国、美日本为首的发达国家对 F P材料及 R其加固后结构的性能研究已处于世界领先地位…。混凝土结构

报道并不多。Moa e hm dS等研究发现，由黏结材料和玻璃纤维丝共同组成的 G R其温

度高于 4 O F P, O℃时，则下降到 3% ( 0钢材大约是 5% ) noit等采用 G R 0。A tn t ea F P和碳纤维增强聚合物( F P) C R试件在火灾高温时对力学性能进行了试验研究，表明 3 0C为 F P材料性能退化的临界点， 5￣成 R在此温度下保持非常高的强度 (0 )样品之间相差不到 1%,示出 F P材料高的 9%, 0显 R

加固中应用最多的是 C R F P材料，我国 C R F P在修复加固中的应用远不如国外那样广泛，尤其在地震后应用 F P加固补强的实 R践经验与发达国家相比相对较少。

近来国外众多学者对于 F P与混凝土的界面黏结性能研究 R已经很多，这里不再详细阐述 J。近年来，国外学者对 F P加固 R混凝土结构耐久性研究报道较多，包括耐化学腐蚀性、干湿影响、冻融影响、温度影响、抗疲劳性、徐变和应力松弛等。研究

可靠性；而温度大于 3 0C时， 5o性能裂化呈线性下降到最初的

4%~3%。而国内周长东研究 G R 5 5 F P耐高温表明，温度高于20C时， F P筋的强度急剧下降； 7￣ GR温度高于 10C时， 9￣其强度不能恢复。

表明，在经历了 30次冻融循环后的玻璃纤维增强聚合物 0 ( F P材料，拉伸强度下降幅度只有 94,融循环对于 GR )其 .%冻GR F P的影响并不大。不同 F P材料在 1℃~ o R 5 6℃温度下暴露 2 4个月，低温时强度降低不是很严重，持率有 8%;保 8而高温时

2 F筋增强混凝土结构现有的技术水平 I钢筋锈蚀将严重地影响结构功能的正常发挥，解决钢筋锈蚀所引起的混凝土结构耐久性问题的一种有效方法是采用 F P R筋来代替钢筋和预应力钢筋。根据 F P筋中纤维的种类， R国内外常见的主要有 C R G R F P、 F P和 A R,材料性能列于表 1 FP其。

强度下降严重，保持率只有 4%; 0同样条件下模量保持率很好，最低也大于 9%。可见补强加固后的建筑物因长期暴露在室外 0

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F P筋的密度仅是钢筋的 15~16混凝土的热膨胀系数一般 R//;为 7 20/~1. 1/, . 1℃ 0 8 0℃这与 F P筋的热膨胀系数可以匹 R

用。然而，经过酸碱盐介质腐蚀的耐久性试验后， F P筋的弹 GR

性模量没有明显降低，降低量都在 5%以内，其这说明由于介质引起纤维和树脂的破坏都限制在一定的渗透区域，其他的区域保持较好的材料性能。 F P筋的强度能否被充分利用主要取决于其与混凝土的黏 R

配，显示出共同工作性能；同时 F P筋的极限强度远大于钢筋的 R强度。 表 1 F P筋的机械性能 R

结性能，对黏结性能的研究始于 19 9 5年 Ma a的工作，后又 lr v此有许多研究人员对此展开了较为系统的研究”。他们认为 F P R筋的表面尺寸、水泥浆填充物性能以及锚具套管刚度是影响黏结性能的重要因素。

3 F P索在桥梁中的应用现状 RF P筋与钢筋明显不同， R它们在拉断前一直保持理想的线弹性特征，没有钢筋那样的屈服台阶，以 F P筋混凝土结构的所 R目前 F P索研究应用还远远不如 F P片材、 R R筋广泛，内国 外报道较少。通常一根 F P索含有十万根左右的连续纤维束， R

延性较差。Y u g on等采用乙烯基树脂和不饱和树脂作为基体，混杂碳纤维、玻璃纤维 (如表 2研究了极限应变。结果表明，,混杂方式对极限拉伸应变值有很大影响。A、 B两种形式应变较小； C、 E形式应变较大，而 D、尤其以乙烯基树脂作为基体的 E形式，变达到了 3%。应 3

约占索体积含量的 7%一 0,维的长细比直接决定了索的 0 8%纤

抗拉强度和弹性模量。连续纤维在 F P中靠热固性树脂材料 R体黏结在一起；树脂基材起到保护纤维并在纤维之间起到传递应力作用。F P索用的热固性基本材料有聚乙烯树脂和环氧树 R脂。由于树脂的密度均较小， F P具有良好的强度质量比，使 R这是 F P索与预应力钢筋的明显区别。各厂家生产的 F P索之 R R间的性能是存在一定差异的， 3出了常见的 F P索的特性。表 R表 3 F P索的性能 R

由于 F P筋特殊的性能， R使得其加固混凝土梁的破坏形态及承载力计算与普通钢筋混凝土梁有所区别，国内外有关该领域的研究成果也有不少报道 J。在考虑裂缝形状、纵筋位置处的裂缝宽度、纵筋的栓作用、裂缝两侧梁体的钢体转动等因素对 F P筋混凝土

梁承载力影响的基础上的研究表明， R与钢绞线混凝土梁相比， F P筋混凝土梁具有很好的变形能力， CR而极限承载力相差不多，但是 A R F P筋混凝土梁承载力较低。建立了 F P R筋混凝土承载力的计算方法，计算与试验的极限承载力、挠度吻合较好。表 2 F P筋混杂类型 R

纤维复合材料具有轻质高强、腐蚀、耐耐疲劳等优点，也这是 F P索材料比钢缆索优越的地方。C R R F P索的疲劳性能远优于钢索，已有试验证明 1 9根单丝的 C R F P缆索在 2×1 0次循环荷载下未发生破坏，其疲劳强度约为相同条件下钢索的 4倍，可见作为缆索材料 C R F P的性能优于钢缆索。19 9 6年瑞士成功在苏黎世附近的斯克多斜拉桥上用 2根 C R F P索换下了原有

的 2根镀锌钢丝索，试验验证其效果良好 0 5年 5月经 1。20 2 3

底，东南大学吕志涛院士等顺利建成国内首座 C R F P索斜拉桥，采用日本三菱公司生产的 L al e型直径 8 m的 C R edi n m F P棒’:白色 (注玻璃纤维 ),黑色 (纤维 )碳。

材，均拉伸强度 2 2 MP,平 6 9 a弹性模量 17 P,限应变 14%。 7 G a极 .9 当前 C R F P拉索相对于钢拉索价格偏高， C R但 F P拉索耐腐蚀、 耐疲劳，使用期无须换索，加上其自重轻，越能力大等方面的跨优势，大跨桥中其长期效益将会优于钢拉索。在

在恶劣环境下 F P筋材料耐久性均有所劣化， R但对比钢筋其耐久性能大幅度提高。Y hn等采用乙烯基 G R i e C F P和环氧基

CR F P作为试验样品，取自来水、H为 1.选 p 36溶液 ( a H n0 N O 6 m VL K H0 3 m￣L、a O 2 .2 m￣L、H为 1.液 o、 O .5 o C ( H) 007 o ) p 2 7溶’

4 F RP加固材料树脂基体的应用现状目前国内外使用最多的树脂基体主要是以环氧树脂或改性环氧树脂作为主剂配制而成，类结构胶粘剂的主要特点是黏这结力强，机械性能稳定；但抗冲击性能差。B a【] oG o1等研究了液 4好；环氧及改性树脂制备 C R用 F P材料的极限承载力并没有下降，而是略有提高。梅雪等 - -采用蒙脱土纳米插层聚氨酯预聚

体来改性环氧树脂，在一定含量内可以使环氧树脂强度不产生

( a H00 5m LL K H 005 o、a O 2 .0 m VL、 N O .1 o/、 O .2 m￣L C ( H) 0 5 o )盐 0

溶液 ( a I 0/ N C gL和 N 2 0 5/ )盐碱溶液 ( O .mo/、 3 as g L、 K H01 l L N C .3 o )为测试溶液。结果表明， F P在 6℃下 p a 1 2 m￣L作 1 GR 0 H更高； C R而 F P同样条件下保持率为 9%; 6冻融试验对 F P强度 R没有明显的损伤，持率 9%以上。分析认为对于 G R保 0 F P筋来说，高碱性的混凝土环境导致它的力学性能退化是由于水解作

为 1. 3 6溶液中经过 7 O天强度保持 6%,它条件强度保持率体丁腈橡胶改性环氧树脂 ( 4其见表 4,强度、量下降而韧性变 )其模

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大幅度降低(环氧 E一 4拉伸强度 4 . MP、 4 4 8 a改性后 3 . MP ) 81 a,同时断裂伸长率由 9 1%提高到 1.%。 .3 63 此外，热固性不饱和聚酯树脂由于生产工艺简便、原料易得

[ Moa dS E et f i nF P R i ocdC nrt M m e[] 4] hme . fc r o R e re o ce e br J . o Fe f n e sC m oi t c rs 2 0,8 1:1— 0 o p seSr te, 0 2 5 ( ) 1 2 . t uu

[] 5

An o i t el . h r l￣ c so o d b t e RP r b r d c n tn e t Ail T e ma e t n b n e we n F e a sa o— a o n

等因素， F P中也有应用，因苯乙烯的挥发性，在 R但以及力学性能不及环氧树脂，其应用较少。乙烯基酯树脂具备环氧树脂和不饱和聚酯的优点， F P中有一定的应用，在 R但不及环氧树脂广泛㈣。

e t[] o pse atA:A pi cec n a uatr g c r e J .C m oi sP r t p ld Si e ad M nfc i, e n un2 0, o. 7 8:2 3—1 3 . 0 6 v 13 ( ) 1 2 2 0

[ 周长东， 6]吕西林，金叶.灾高温下玻璃纤维筋的力学性能研究火

[]建筑科学与工程学报， 06,3 1:3—2

. J. 20 2 ( )2 8 [ Yo n 7] u g—J n Yo Yo n—Hwa ak,Hy o g—Ye lKi,i—S n u u, u g n Pr en o m J uP k Hy rd ef c n t n iep o e t s o RP o swi a O S ma e r a . b f to e sl r p ri fF i e e rd t V h r U t— i

表 4环氧及橡胶改性环氧树脂拉伸、间性能层[] 8

i mpsi[] C m oi t tr, 0 7 8 ( ) 17—12 rl o oios J . o p seSrcu s 2 0, O 1:1 2 . ac tn t u eV. u o, .S e n i A. r i M. T r c S e o d n, Mo b n, R. l l zi C.Mo e a F e u a Va u z, d n . lx r l

n ha gheigo a e n re ao r i R a J . adser￣nt nn n—ri oc m snywt F Pbr[] s f f d h sC mpse cec dT cnl y20 6 ( )2 26 o oisSinea eh o g,06,6 2:89— 9 . t n o

[ C N SH,O GZG,H O Q,t 1A S r B nigSno i 9] HE T N Z A e . mat edn esr t a a wh N vl e eauead Sri Isniv og—pr d G an[] oe mprtr n t n nesi Ln T a te ei rt g J . o iS n r d Acuao, 0 4, 1 1 3—1 6. e s sa t tr 2 0 1 6: 0 o n s 0 l a d A. o d i Ti t y H. o p r Pr i n r x [0] Ah d A. e l 1 ma Rt i,Kh e S u k, mo h T p e . elmi a y e -

5结

语

p rme t n e t ain o h a iu n e a i r o RP c n ie e i n a i v si t f t e f t e b d b h vo fCF o fn d l g o g o

R a s J . osut nadB i igM t r s 20,1 4:4 Cb m[] C nt ci ul n a i, 0 7 2 ( ) 76 e r on d ea l—

综上所述，国外 C R F P材料是混凝土结构外贴加固中应用最

7 5 5 .

多的，我国应用远不如国外

那样广泛。采用 F P筋来代替钢筋 R和预应力钢筋是解决钢筋锈蚀所引起的混凝土结构耐久性问题的一种有效方法。F P索研究应用还远远不如 F P片材、广 R R筋

盖洪涛，滕镝，纪伦. F P在超大跨悬索桥和斜拉桥中的应用前景 CR[]黑龙江交通科技，0 3,. J. 20 9[ 2 B i igbt rb de i F P[] eno e l t s19 4 1] ul n ee r gswt C R J .R i rd Pa i,9 8,2 d t i h f c sc() 4 4. 3: 4— 7

泛，国内外报道亦较少。F P的结构胶主要是以环氧树脂或改 R性环氧树脂作为主剂配制而成。总之，维增强复合材料具有纤轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点，在土木工程领域内市场价值巨大。

[ 3蒋剑彪， 1]崔毅，葵花，梅吴刚，张敏.国内首座 C R F P斜拉桥的关键

技术[]公路交通科技 ( J.应用技术版 ) 20,:1一l4,2 .,0 6 2 l 1 1 12oKi Ch tp e Y.L u g E p r na td i e n . x e me tlsu y i[4] B o,Jn 1 o Ga a g—Ky m, rso h rK.

o Cb a swt F Ps p oddwt b rm d6 drs sJ . nR e i R t sbn e i r b oie i『] m h i r hu e e n C m oi s i c dT cnlg,0 4 6 1 ) 2 5 2 6 . o ps e e ea eh oo 2 0,4(6: 57— 5 t S n n c y 4

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2 3.

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