竹纤维混凝土结构加固方法的分析

戚宇涵，卢　平

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 23002)



竹纤维混凝土结构加固方法的分析

戚宇涵，卢平

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 23002)

摘要：混凝土加固技术作为新兴技术之一，在实际工程中得到广泛应用，取得良好的效果与广泛的应用场合。本文在结合现有几种混凝土加固技术的前提下，着重介绍了竹纤维混凝土的基本情况与力学性能，并对这一材料的发展状况和应用前景作出讨论。举例论证了竹纤维混凝土在实际运用中的优势，为未来该材料进一步的发展提供理论基础和分析。

关键词：混凝土加固;竹纤维混凝土;力学性能;工程技术

0引言

混凝土是现代工程中的一种主要的建筑材料，具有原料丰富，成本低廉，抗压程度较高并且生产方法简单等诸多特点。我国经过长时期大规模基础建设高峰之后，混凝土结构老化及后期的维护修补等问题将日益突出，对混凝土结构的加固和防护已成为建筑领域中的一个热点[1]。对混凝土结构采取有效加固和防护技术，以恢复混凝土结构的承载能力，抵御环境对混凝土的侵蚀，对保证并提高混凝土结构的耐久性与使用寿命具有重要的现实意义[2]。而在混凝土中掺入一定的比例的无机纤维，有机纤维，都会给予混凝土优异的力学性能，起到加固作用。但是，在考虑结构安全性的同时，还需兼顾材料的经济性，绿色环保性及可持续发展性[3]。竹纤维是一种抗拉强度高，变形能力好的植物纤维，同时还具有来料便捷，成本低廉，生产能耗低且无污染等优势，将其与混凝土结合具有巨大的潜在经济效益和社会效益。[4]

长期以来，我国研究人员为研究竹纤维混凝土的各项性能进行了大量的科研工作。张志等对竹纤维增强塑料预应力混凝土梁进行了四点弯折试验，解决了固定预应力筋的夹具问题，证实竹纤维增强塑料预应力筋凝土的抗弯性能是素混凝土的约 5 倍，可以满足工程的要求[5]；王贤栋等通过对竹钢混杂纤维混凝土进行抗冲击实验，证明了该材料具有更强的抗冲击性能[6]。陈翔等通过对竹纤维混凝土墙板进行抗拉实验，证明了竹纤维在延缓开裂破坏方面具有一定效果[7]。总之，竹纤维混凝土潜在的优势，日益得到关注．但是目前还有许多急需解决的问题，还有待更进一步的研究和探讨[8-10]。

1常见混凝土加固方法

1.1加大截面法

加大截面法考虑构件的受力特点，通过加大截面来达到提高结构承载力的目的。这一方法施工技术成熟，简单，没有使用太多化学材料因此耐久性和稳定性较好。适用范围较广，对于梁，板，柱，墙等都适用。

但加大截面增大了刚度，对抗震效果会有不利影响。其次施工量变大，养护时间变长，加长了工期。对于抗震要求较高的建筑一般不采用[11]。

1.2预应力加固法

预应力加固法是采用外加预应力钢拉杆或者撑杆对结构进行加固。这一方法通过增加受力，改变原有结构的应力分布，使后加部分能够和原有构件一起工作，提高结构的总体承载力。这一方法增加主筋，提高截面的承载力，能消除或减缓应力滞后现象，使得被加固的结构能够有效地进行整体受力。

预应力加固法适用于大跨度结构的加固以及一些已有较大变形的大型结构加固，其缺点在于施工程序较为复杂，不适合用于中小型结构的加固，对设备的要求也较高。

1.3粘刚加固法

粘刚加固法是在结构的正截面和受压区进行粘刚加固。这一方法使构件能够很好的相互协调作用，在基本不增大截面的情况下提高结构的承载力，增大延性以及刚度，适用于混凝土柱，房架等不增大截面尺寸的情况下要求提高承载力的结构。

粘刚加固法的缺点在于费用较高，整体的工作量也较大，适用范围小等，不适宜广泛使用。

1.4碳纤维加固法

碳纤维材料强度高，质地轻，耐疲劳，耐腐蚀。因此用于混凝土结构加固时可以阻止混凝土结构的变形，能提高结构承载力以及延性。在实际的工程中，碳纤维有效的减小了结构应变，增大了配筋率，从而提高了结构的抗剪承载力，尽量的避免了裂缝的出现。被广泛应用于各种混凝土构件、钢结构、木结，建筑物梁、柱、楼板结构等等。

但是碳纤维材料的力学特点仅在建筑物受拉后才发挥，强度利用率不高，加固效果不显著。尤其对于自重较大的结构，在加固时虽已卸除活荷载，但结构仍存在较大的初始应力，而碳纤维加固材料是在加固以后才开始受力，碳纤维的应力、应变始终滞后于原结构的累计应力和应变，即必须考虑被加固构件的二次受力问题，这又进一步影响了碳纤维布的强度发挥[12-13]。

在现有的工程技术中，混凝土加固基本分为两个方面：对已有的建筑和结构进行修补与加固，增加建筑物的稳定性和强度；或是加强混凝土这一材料的力学性能以期提高建筑结构的实用年限，稳定性等方面。相比而言，在开始之初就使用更高强度，更佳性能的材料进行工程建设更有意义，这是因为进行加固之后，新旧结构总有受力不均以及滞后效应等诸多问题。这就意味着，增强材料本身的性能更有实际效果。

2竹纤维混凝土加固方法分析

2.1竹纤维混凝土的性能

近年来随着对建筑材料研究的不断深入，混凝土这一传统建筑材料的优缺点进一步凸显出来。混凝土本身耐久性高，制作简单，适用范围广，强度较高，抗压性能高。但与之相对应的抗拉性能常不能满足建筑上的要求。此外，混凝土在产生裂缝之后不能很好的承受荷载，常常导致坍塌[14]。因此，在混凝土中添加一定比例的竹纤维可以有效的提高混凝土的抗拉性，减少或延缓裂缝产生及危害[15]。

竹纤维混凝土是以普通混凝土材料为基材，将竹纤维作为增强材料而组成的一种复合材料。在基材中加入竹纤维这一抗拉强度高，延展性好，耐腐蚀的增强材料有助于混凝土整体抗拉力学性能的提升，也能使材料更耐腐蚀。竹纤维能够阻止混凝土中原有微裂缝的发展并且延缓新裂缝的产生，提高混凝土的变形能力使其能在较多裂缝时继续承受部分荷载不被破坏，改善混凝土抗冲击性能。此外，竹纤维的来源广，价格较低，取自天然材料无毒无害，满足了对建筑节能与环保的要求，有利于环境保护与可持续发展[16-17]。

2.2研究动态

了解竹纤维混凝土在工程方面的用途及其影响因素对认识到研究的重要性有重要的意义：在实际工程中，建筑体将会承受较大的荷载，外力荷载会缓慢导致基体开裂，破坏建筑结构的稳定性。当基体开裂后，基体内的竹纤维成为外力的主要承担者，在微观上阻止了继续开裂，优化了力学性能。从而竹纤维混凝土是一种优良的建筑材料，可以用于实际工程中。

由于竹纤维混凝土的性能受竹材种类，添加数量，有无其他添加材料等多种因素的影响，所以一般通过控制变量进行对比试验的方法来描述各因素对竹纤维混凝土性能的影响。

竹纤维的本质是植物纤维的一种，在二十世纪初，纤维混凝土这一材料开始进入人们的视线范围。但是过去的研究主要集中在了钢纤维，玻璃纤维，碳纤维等纤维材料。这些材料虽然能在一定程度上提高混凝土的强度与抗拉性能，但由于其成本较高，工艺较复杂，不适用于大规模的实际生产等原因，植物纤维的研究才逐渐的深入了起来。目前，国内外主要的研究方向为：选取进过预处理的竹纤维作为掺和料与普通混凝土进行力学实验对比，在宏观方面研究混凝土的抗拉，抗剪，抗扭力学性能；在微观方面研究增强机理，边界效应，竹纤维在混凝土内部的分布等诸多方向[18-19]。

2.3工程实例

成都市地铁四号线是成都地铁东西方向的主干线，于2011年12月正式投入建设，全长达到41.7千米，投资约为202.6亿元，该线路具有安全，高效，环保，快捷等优势，是缓解城市交通拥挤的主要途径，对带动周边发展，促进区域经济有重大意义。

由于成都市位于四川省，地处地震易发地带，工程建设中必须考虑结构体的抗震、抗裂能力。由于对地下结构的强度以及抗裂性能的要求，传统的混凝土因使用中易开裂以及支护强度较低的缺点不能很好的应用在地下建设中。工程经过试验之后采用了混凝土中加入竹纤维以起到与混凝土形成统一受力体共同受力的办法来提高了安全性。竹纤维混凝土的应用不仅满足了该地铁项目对地下结构强度，抗裂的要求，而且竹纤维比起钢纤维材料更具经济性，节约了工程项目中的成本。

合肥市新桥国际机场开工与2008年12月，竣工于2013年1月。总投资约为38亿元，是安徽省承东启西，连接省内外交通的重要枢纽。在建设机场起降的滑行跑道的过程中，工程人员充分考虑到了施工要求，选择了竹、钢纤维混凝土代替传统混凝土铺设跑道路面。这一举措有效的缓解了飞机在起降过程中对道面的拉、压力，作为主要材料的竹、钢纤维混凝土具有良好的抗拉、抗冲击性能，早期强度也较好，有效的减少了铺设道面的工期。

2.4优点分析

在混凝土中添加预处理的竹纤维并与一般材料进行对比，可以发现混凝土材料的抗拉性能有了显著的提高。添加竹纤维之后，混凝土开裂的部位由于纤维的有效支撑作用，原本开裂的部分被纤维阻断，这有效的延缓了混凝土的开裂与裂缝的继续扩大。这是由于竹纤维在混凝土中乱向分布，增强了混凝土的整体强度。与普通混凝土相比，竹纤维混凝土的变形性能明显改善，物理耐久性提高。研究中同时也发现，竹纤维混凝土相对传统材料来说有更好的热稳定性与化学稳定性，满足现代材料中对绿色，环保，健康的要求。

竹纤维可以显著提高混凝土的抗拉，抗冲击，抗腐蚀性能。竹纤维本身作为植物材料的一种，能够与混凝土材料很好的相结合，广泛应用于混凝土结构中。竹纤维混凝土这一建筑材料原材料来源广泛，制作工艺简单，绿色健康环保。随着相关理论的不断深入，竹纤维混凝土材料的高性价比与可观的应用前景将会在更多的实际工程中展现出来[19-21]。

3结论与展望

由于现代工程技术的不断发展，以及各类材料，理论，计算机软件的不断进步，混凝土这一传统建筑材料有着更加广阔的发展空间。不断创新的混凝土加固技术在解决着新世纪建筑材料问题的同时也证明了自己拥有很可观的应用前景：随着我国现代化建设的深入，一些年限已久的建筑经过加固既可以保证安全，降低建设成本，又能够节约资源，实现可持续发展的社会要求。以竹纤维混凝土为代表的新型混凝土不仅具备良好的力学性能，抗拉抗压能力强，而且其原材料来源广泛，制作过程绿色健康，拥有很高的性价比。随着这一技术的深入发展，竹纤维混凝土一定能够发挥出更大的实用价值

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Analysis of the Strengthening of Bamboo Fiber Reinforced Concrete Structure

QI Yuhan, LU Ping

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University , Hefei,230022,China)

Abstract:As one of the emerging technologies, concrete reinforcement technology has been widely used in practical engineering, and achieved good results. In this paper, the basic situation and mechanical properties of bamboo fiber reinforced concrete are introduced, and the development and application of this material are discussed. The advantages of bamboo fiber reinforced concrete in practical application are demonstrated, which provides theoretical basis and analysis for the further development of this material in the future.

Key words:strengthening of concrete; bamboo fiber reinforced concrete; performance of mechanics; technology of engineering

收稿日期：2015-09-05

作者简介：戚宇涵(1992-)，男，硕士生，主要研究方向为防灾减灾工程及防护工程。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150608

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-038-04