纖維復(fù)合材料在建筑工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

賀瑩

（安徽多維施工圖審查有限責(zé)任公司，安徽合肥 230001）

0 引言

1 纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)要點(diǎn)

1.1 構(gòu)件表面處理的要點(diǎn)

構(gòu)件表面處理是纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的前期環(huán)節(jié)，主要需注意以下兩點(diǎn)：①在構(gòu)件表面處理過程中應(yīng)把握好溫度和濕度因素，盡量將溫度控制在6～35℃范圍內(nèi)，構(gòu)件外表層的相對(duì)濕度約為85%，且其中含水量須≤4%。②在實(shí)際加固施工過程中，加固區(qū)域出現(xiàn)裂縫問題，則應(yīng)立即暫停施工，先對(duì)裂縫進(jìn)行有效修補(bǔ)后再繼續(xù)加固[2]。

1.2 底膠涂刷的要點(diǎn)

在建筑結(jié)構(gòu)的待加固構(gòu)件上粘貼完纖維復(fù)合材料后，需再涂刷底膠。在底膠涂刷過程中主要需注意以下兩點(diǎn)：①涂刷底膠需使用專門的涂刷工具如滾筒等，以保證涂刷均勻。②涂刷底膠時(shí)需對(duì)待加固構(gòu)件表面進(jìn)行細(xì)致的涂刷，涂刷邊界不能小于纖維復(fù)合材料的邊界。

1.3 找平膠涂刷的要點(diǎn)

待底膠干燥后，應(yīng)仔細(xì)檢查其表面情況，一旦發(fā)現(xiàn)了有凹凸、缺損等問題而又無法通過砂紙來有效磨平時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用找平膠進(jìn)行處理。在找平膠材料的選擇中，需注意選擇與底膠相同的材料進(jìn)行調(diào)制[3]。

1.4 加固技術(shù)的要點(diǎn)

內(nèi)嵌FRP筋加固法具有施工方便、維修費(fèi)用低、可以有效避免加固材料磨損和撞擊等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固改造工程中。加固構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在服役期間同樣會(huì)遭受潮濕、凍融循環(huán)、腐蝕介質(zhì)侵蝕等惡劣環(huán)境，出現(xiàn)FRP筋劣化、FRP筋與混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度下降等問題。由于FRP筋與黏結(jié)材料界面和黏結(jié)材料與混凝土界面既是傳遞應(yīng)力的關(guān)鍵部位，又是加固構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，因此開展惡劣環(huán)境下內(nèi)嵌FRP筋加固混凝土界面黏結(jié)性能的研究尤為重要[4]。目前，國內(nèi)外對(duì)內(nèi)嵌FRP筋加固混凝土界面黏結(jié)破壞模式、黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)關(guān)系、FRP筋的受拉承載力以及不同影響因素對(duì)界面黏結(jié)性能的影響進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。

1.5 養(yǎng)護(hù)過程中的要點(diǎn)

在應(yīng)用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)加固完畢后，還需做好后期的養(yǎng)護(hù)工作，在養(yǎng)護(hù)過程中需注意以下3點(diǎn)。

（1）養(yǎng)護(hù)期間避免受外界干擾和外力沖擊。

（2）養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)≥1d。

為了盡量避免頻譜分配過程中使用過強(qiáng)的假設(shè)條件，本文基于物理干擾模型，將傳輸功率離散化為若干等級(jí)，從彈性用戶收益角度設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，提出一種僅需與同信道相鄰用戶進(jìn)行信息交互的博弈模型，并從理論上證明其為嚴(yán)格潛在博弈，分析了納什均衡解的存在及有效性.同時(shí)，為了進(jìn)一步降低了問題求解的復(fù)雜度，引入隨機(jī)學(xué)習(xí)理論，提出基于隨機(jī)學(xué)習(xí)博弈的信道分配與功率控制算法，給出了該博弈收斂到純策略納什均衡的形式化證明.最后通過一系列仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性.

（3）養(yǎng)護(hù)期間做好防護(hù)措施，避免受雨水及其他物質(zhì)污染。

2 土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 施工前的準(zhǔn)備

對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)和安全交底，使其掌握膠黏劑調(diào)配和纖維布粘貼工藝的操作要點(diǎn)，特殊作業(yè)人員需要持證上崗。同時(shí)，準(zhǔn)備馬凳、鋼絲刷、腳手架、空壓機(jī)等后續(xù)可能需要加固補(bǔ)強(qiáng)的機(jī)具。在加固施工前，保證粘貼碳纖維布的構(gòu)件上面沒有堆載現(xiàn)象，避免其處于受載狀態(tài)，影響后續(xù)加固效果[5]。另外，施工前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求對(duì)需要加固構(gòu)件的碳纖維布位置進(jìn)行放線定位，保證施工精度。

2.2 基層處理及清洗

（1）采用角磨機(jī)打磨處理構(gòu)件混凝土表面的抹灰層，直至露出混凝土密實(shí)結(jié)構(gòu)。檢查構(gòu)件是否有露筋現(xiàn)象，露筋時(shí)采用必要措施進(jìn)行除銹。對(duì)構(gòu)件存在凸出及缺損部分進(jìn)行剔鑿或填補(bǔ)，保證基層平整。構(gòu)件表面棱角打磨成內(nèi)徑不小于20mm的棱角。

（2）對(duì)構(gòu)件表面的裂縫進(jìn)行處理。裂縫寬度大于等于0.2mm時(shí)，采用環(huán)氧樹脂膠以一定的壓力進(jìn)行灌縫處理；裂縫寬度小于0.2mm時(shí)，采用結(jié)構(gòu)修補(bǔ)膠進(jìn)行表面封閉處理。

（3）用吹風(fēng)機(jī)或棉絲等除去混凝土上的粉末和灰塵。清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。

2.3 涂刷底膠

底膠的涂刷有利于提高構(gòu)件混凝土基層的強(qiáng)度，并更好地與碳纖維材料結(jié)合為整體。涂刷底膠前保證施工環(huán)境處于適宜的溫濕度范圍且基層干燥、無積水。底膠按產(chǎn)品說明書要求進(jìn)行配制，一次性不得配制過多，以一次施工完成為準(zhǔn)，多余的底膠不得在超過規(guī)定時(shí)間后繼續(xù)使用。

采用滾筒或刷子將底膠均勻涂刷于混凝土表面上，陰陽角或拐彎處適當(dāng)涂厚點(diǎn)。底膠自然風(fēng)干后，應(yīng)將凸出于基層表面的部分用砂紙磨平，磨平后露出混凝土實(shí)體時(shí)應(yīng)再次用底膠涂刷，直至基層平整且底膠均勻涂抹。

2.4 粘貼面找平

涂刷底膠后，為防止后續(xù)施工時(shí)基層粘貼面和纖維布之間起鼓膨脹，應(yīng)采取措施對(duì)階差、針孔、凹凸處等進(jìn)行處理，保證粘貼面平整。對(duì)于凹陷部分，應(yīng)采用高強(qiáng)度修補(bǔ)料進(jìn)行修補(bǔ)，確保基層平整，保證粘貼效果。修補(bǔ)料加固后強(qiáng)度達(dá)一定程度時(shí)方能進(jìn)行下一道工序。

2.5 面膠涂刷

在碳纖維布粘貼完成后，應(yīng)在其表面上再涂刷一層面膠。涂刷面膠時(shí)應(yīng)沿著碳纖維的方向均勻涂刷，保證面膠充分浸濕纖維布。纖維布施工時(shí)一般以一層一天為進(jìn)度，每天工作結(jié)束后均應(yīng)保證及時(shí)地進(jìn)行面膠涂刷，不得拖延至第二天。面膠涂刷后待其自然風(fēng)干，風(fēng)干后檢查其表面有無纖維布剝落、浮起、褶皺等不良現(xiàn)象，有則及時(shí)進(jìn)行刮平、擠泡等修正處理。

2.6 固化養(yǎng)護(hù)

碳纖維布粘貼施工時(shí)不得同時(shí)進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生灰塵的相關(guān)作業(yè)，且需要待其自然養(yǎng)護(hù)至具備初步強(qiáng)度，在這之前（一般為24～48h），不得使粘貼纖維布的構(gòu)件受力或其他擾動(dòng)。養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)保持一定的溫度，一般為20～30℃。溫度較低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。碳纖維布養(yǎng)護(hù)完成后，可采用邵氏硬度計(jì)檢測其膠層厚度，并采用粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀檢測其粘結(jié)強(qiáng)度，保證其達(dá)到相應(yīng)的加固效果。在纖維布面膠干燥后，需按照設(shè)計(jì)要求對(duì)碳纖維表面采取防護(hù)措施[6]。在構(gòu)件有防火要求時(shí)，可進(jìn)一步采取防火涂料或水泥等進(jìn)行涂裝處理。防護(hù)涂裝前，應(yīng)確保碳纖維粘貼質(zhì)量通過驗(yàn)收。

2.7 纖維復(fù)合材料加固技術(shù)方案設(shè)計(jì)

由于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要將化學(xué)纖維聚合物材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)，首先是規(guī)劃土木工程項(xiàng)目的總體加固策略，然后再確定具體的加固技術(shù)方案。碳纖維材料塑料板在鋼筋混凝土彎曲預(yù)制構(gòu)件的抗彎結(jié)構(gòu)加固，抗剪結(jié)構(gòu)加固和柱抗震等級(jí)結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用較多。在加強(qiáng)彎曲結(jié)構(gòu)時(shí)，碳纖維塑料片的化學(xué)纖維取向應(yīng)與拉伸區(qū)的拉伸應(yīng)力取向一致。當(dāng)增強(qiáng)剪切結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將碳纖維塑料板的化學(xué)纖維取向作為混凝土中的主要張力。應(yīng)力方向是相同的，但是為了使施工更加方便，可以使用化纖方向和預(yù)制構(gòu)件的縱向坐標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。加強(qiáng)抗震等級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)將碳纖維布封閉地纏繞在圓柱上。另外，碳纖維材料塑料片還可以沿著預(yù)制構(gòu)件的徑向方向粘貼，可沿著腋下角度粘貼，可在樞轉(zhuǎn)力下對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。當(dāng)在彎曲下加固結(jié)構(gòu)時(shí)，也可以向碳纖維塑料板中添加預(yù)應(yīng)力鋼的方法來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固的實(shí)際效果。碳纖維塑料板還可以用于框架柱和特殊結(jié)構(gòu)，例如殼體，筒倉和煙囪。

2.8 應(yīng)重視纖維復(fù)合材料的研發(fā)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定

碳纖維材料高分子材料目前在國內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)用尚不十分廣泛，目前主要應(yīng)用于一些專業(yè)性較高的建筑結(jié)構(gòu)中。主要原因在于許多碳纖維材料產(chǎn)品仍然必須從國外購買，這不僅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，我國現(xiàn)階段依然使用的是國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)技術(shù)方法已越來越不適用。迫切需要制定適合于我國國情的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑加固施工作業(yè)規(guī)程，以改善碳纖維材料和高分子材料的建筑應(yīng)用技術(shù)[7]。因此，加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料的研發(fā)力度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，并制定適合的材料生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建筑加固施工作業(yè)規(guī)程，是現(xiàn)階段的重點(diǎn)問題。

2.9 結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程加固技術(shù)應(yīng)用也較為廣泛，但是仍然有很多課題有待解決，主要包括兩個(gè)方面：一是在預(yù)應(yīng)力加固補(bǔ)增技術(shù)研究；另一個(gè)是界面受力性能研究。為了使用該類復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域發(fā)揮更大價(jià)值，還需要進(jìn)一步深入研發(fā)。

3 質(zhì)量控制及檢驗(yàn)

3.1 質(zhì)量控制

（1）原材料檢驗(yàn)。施工前對(duì)原材料進(jìn)行質(zhì)量把控，在監(jiān)理和試驗(yàn)員共同見證下，隨機(jī)抽取碳纖維布（一般為5m）和配套的粘結(jié)膠樣品（一般為1kg）并送至第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目主要包括抗拉強(qiáng)度、彈性模量和伸長率等，確認(rèn)其符合設(shè)計(jì)要求后方可入場使用，從源頭確保工程的施工質(zhì)量。

（2）施工過程控制。編制碳纖維布的專項(xiàng)施工方案，并通過監(jiān)理單位審批，施工前務(wù)必落實(shí)技術(shù)交底，保證工人的操作水平。在大面積施工之前，應(yīng)采取“樣板先行”制度，通過樣板工程進(jìn)行工藝參數(shù)和方法的驗(yàn)證和優(yōu)化，從而保證后期大面施工時(shí)的一次成活率，避免返工帶來的工期延誤和成本增加。

（3）碳纖維布的空鼓處理。在碳纖維施工過程中，空鼓是較為常見的一種不良現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行技術(shù)處理，避免粘貼質(zhì)量不達(dá)標(biāo)影響加固效果。對(duì)于空鼓問題，當(dāng)其面積不大（小于10000mm2）時(shí)，可采用注膠法進(jìn)行補(bǔ)充注射；而當(dāng)空鼓面積較大時(shí)（大于等于10000mm2）時(shí)，則需要將此處空鼓位置剪切割除，再重新粘貼碳纖維布。在重新粘貼時(shí)，其沿纖維方向（順紋）的每端搭接量不得少于200mm，如果補(bǔ)充粘貼層數(shù)超過三層，則相應(yīng)的搭接量應(yīng)不少于300mm。

3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)

碳纖維布施工完成后，應(yīng)按一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，具體檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）粘結(jié)膠與碳纖維充分浸潤，膠水深入碳纖維布的每一個(gè)細(xì)小結(jié)構(gòu)之中，將纖維絲粘合在一起，達(dá)到共同承載外力的目的。

（2）碳纖維布與構(gòu)件的混凝土基層粘結(jié)牢固，粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)期要求。

（3）碳纖維布外觀上沒有偏移、起鼓、褶皺、松脫等不良現(xiàn)象，搭接處的長度符合設(shè)計(jì)要求。

（4）加固位置處的碳纖維布施工方向、位置、層數(shù)及尺寸等與設(shè)計(jì)方案要求的一致。

4 結(jié)語

綜上所述，由于纖維復(fù)合材料的諸多優(yōu)勢，使得它在建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中展現(xiàn)出了十分重要的應(yīng)用價(jià)值與非常廣闊的發(fā)展前景。但現(xiàn)階段還有許多制約其發(fā)展的因素存在，需要在未來一段時(shí)間，加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用的研究。CFRP板與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力不是通過試驗(yàn)直接得到的，而是通過CFRP板變形分析間接得到的。加載開始時(shí)，CFRP板僅在加載點(diǎn)附近區(qū)域生成變形，自由點(diǎn)附近的變形為零，此時(shí)變形傳輸區(qū)域較小。載荷增加時(shí)，載荷端的變形會(huì)增加，并傳遞到自由端。在載荷開始時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力從載荷端分布在不超過60mm的范圍內(nèi)，從自由端逐漸減小到零。隨著負(fù)載的增加，負(fù)載末端的貼合約束也會(huì)相應(yīng)增加，并且貼合約束開始轉(zhuǎn)移至自由末端。接近極限載荷時(shí)，粘結(jié)點(diǎn)會(huì)傳遞到自由端附近，試驗(yàn)將發(fā)生挖方斷裂。使纖維復(fù)合材料加固技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛深入，在建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性建設(shè)中充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值。