纤维复合材料加固混凝土结构的研究进展

李炳奇，周月霞

(中国水利水电科学研究院， 北京 100038)



纤维复合材料加固混凝土结构的研究进展

李炳奇，周月霞

(中国水利水电科学研究院， 北京 100038)

摘要：纤维复合材料(FRP)以其轻质、高强、抗腐蚀能力强、耐疲劳、减震性能好等诸多优点被广泛运用到土木、建筑工程结构加固中。结合国内外复合材料加固混凝土技术的进展，论述了约束混凝土的本构模型，加固混凝土结构的极限承载力、耐久性、抗震性以及纤维复合材料加固混凝土结构的机理等。并且阐述了纤维复合材料加固混凝土柱的机理。最后，论述了一种新的可用于碳纤维加固混凝土结构的粘结材料—聚脲弹性涂层，可以有效改善混凝土柱构件的承载能力、耐久性及抗震性能等。

关键词：FRP；PVC-FRP；聚脲；本构模型；抗震性

工程质量维系着人们的生命财产安全，随着经济建设的快速发展，工程质量问题越来越受关注。美国等发达国家的建筑物大多修建于二十世纪五六十年代，目前一部分结构出现老化、不满足正常使用等问题。近年来，我国的土木建筑结构耐久性不足的现象也逐渐凸显。若将所有强度和耐久性不满足要求的结构推倒重建将会花费大量的时间和金钱，故混凝土结构的修复和加固成为目前国内外土木工程界亟需解决的课题。传统的混凝土结构加固方法有增大截面法、粘钢加固法、预应力加固法、外包钢法等[1]，上述混凝土结构修补加固方法存在众多的局限性，如增加结构自重、施工不便、施工质量难以保证、不能有效地改善结构的耐久性等。

纤维复合材料以其轻质、高强、耐疲劳等优点，受到土木工程界的青睐[2]。纤维复合材料种类较多，目前，碳纤维复合材料(CFRP)被广泛应用于混凝土结构加固中。每种材料的力学特性相差甚大，不同种类纤维复合材料的力学特性见图1[3]。

鉴于FRP种类较多，物理、力学性能相差较大，故FRP加固技术适用范围广，可以用于不同的混凝土结构及结构的不同部位。FRP加固技术施工速度快、操作简单，加固效率高；FRP质量密度小，对原有结构的附加载荷小；FRP耐腐蚀、耐老化，应用时效长，可以降低后期的维修费用[4]。

图1FRP材料应力-应变关系曲线

本文提出了一种新的复合材料加固技术，聚脲弹性涂层-碳纤维加固混凝土技术。综合考虑其优良的力学性能、环保性能、耐久性等，论证了聚脲弹性涂层-碳纤维加固技术的工程应用前景。

1纤维复合材料加固技术的发展

1.1FRP加固混凝土技术的发展

纤维增强复合材料FRP开始时用于航空、航天、医学等领域。随着材料科学的发展，FRP优良的力学性能为研究人员所熟知，在二十世纪八十年代开始运用于土木工程界。最早将FRP材料用于混凝土加固的国家是德国和瑞士[5]。瑞士科学家Meier首次在试验室用FRP板代替钢板进行试验研究[6]，之后将研究成果应用于瑞士Ibach桥的加固。继瑞士和德国之后，日本和美国也开始碳纤维加固技术的研究。二十世纪八十年代，碳纤维加固技术开始在日本投入使用，此后FRP加固技术迅速发展，日本于1993年颁布了《连续纤维加固混凝土结构诸性质和设计法》等规范和规程；美国混凝土学会(ACI)也于九十年代颁布了有关纤维加固混凝土技术的规范和指南。

我国纤维增强复合材料加固技术起步较晚，二十世纪九十年代末才开始对FRP加固混凝土技术进行研究[7]。在2003年颁布了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146：2003)，在2006年颁布了《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)。随着规范和规程的颁布，FRP加固混凝土技术也开始广泛地应用于我国的土木工程界。

我国广泛使用的混凝土加固纤维增强材料主要有：碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)[8-9]。目前我国又合成一种新的纤维复合材料——玄武岩纤维材料，这种材料具有较高的抗拉强度、耐腐蚀性、化学稳定性及热稳定性[10]。第19届国际复合材料工业技术展览会指出我国已成为全球纤维增强复合材料的最大应用市场。

1.2PVC-FRP加固混凝土技术的发展

二十世纪七十年代G.N.HADDAD.提出了PVC-FRP复合管的现代新技术[11]，PVC-FRP管相比于FRP管重量轻、成本低，PVC-FRP管在所有的尺寸及压力范围内都比较经济。

我国研究者也论证了PVC-FRP管加固混凝土结构具有实际应用的可行性[12]，PVC-FRP加固混凝土技术将成为未来混凝土结构加固的一个趋势。

2纤维复合材料加固混凝土的试验及理论研究

2.1纤维复合材料约束混凝土的应力应变关系研究

2.1.1FRP约束混凝土本构模型

纤维增强复合材料约束混凝土柱，承受轴向荷载的作用时，由于周围约束力的作用，核心混凝土处于三向应力状态。混凝土柱极限承载力和弹性模量均增加，其破坏形式由原来的脆性破坏转变为延性破坏。国内外研究学者对FRP加固混凝土结构进行试验研究，提出了不同的约束混凝土本构模型。

目前存在的约束混凝土本构模型大致分为三段：线弹性段、弹塑性段、线性强化段。在线弹性和弹塑性阶段，约束混凝土本构模型和未约束混凝土本构模型相同；当混凝土达到屈服应力以后开始膨胀，此时外包的纤维增强复合材料产生环向应力和环向应变，对核心混凝土产生约束作用，混凝土的应力-应变关系呈现为线性(线性强化段)。Mander等[13]人提出了截面形状为圆形和方形的约束混凝土本构模型，同时国外研究学者Lam、Hantouche、Wu、Youssef等[14-17]对纤维复合材料加固混凝土柱进行试验研究和理论分析，分别提出了相应的约束混凝土本构模型，并指出混凝土的强度，碳纤维种类、强度、刚度、布置形式，混凝土柱截面形状等都会影响混凝土的本构模型。Ozbakkaloglu等[18]对730个约束混凝土圆柱进行试验，文中总结了前人提出的88个FRP约束混凝土本构模型，对不同的模型进行了系统的分析，指出了不同模型的优缺点。

赵彤、肖岩等[19-20]分别对碳纤维布约束混凝土柱进行轴压试验，试验综合考虑了碳纤维布的层数、布置间距等对约束混凝土本构模型的影响。赵彤和肖岩根据试验结果对Mander提出的箍筋约束混凝土本构模型的参数作了修改，提出了新的碳纤维布约束混凝土柱的本构模型。于清、张月弦等[21-22]对国内外FRP加固混凝土轴心受压柱的试验资料进行了分析和总结，提出了一种新的FRP约束混凝土本构模型，其中包括FRP的破坏准则、有效约束系数及强度发挥系数等。

2.1.2PVC-FRP约束混凝土本构模型

Toutanji等[23]对38根PVC-FRP加固混凝土短柱进行轴心受压试验，文中指出，在外部PVC-FRP的约束作用下，混凝土处于三向应力状态，且外部约束力正比于外包纤维复合材料的刚度。PVC管的刚度非常小，可以不考虑其对混凝土的约束作用，对PVC-FRP管加固混凝土柱进行有限元分析时可以直接采用FRP约束混凝土本构模型。

Yu F等[24]对PVC-FRP加固混凝土柱进行试验，根据试验数据提出了PVC-FRP约束混凝土柱的本构模型。PVC-FRP约束混凝土本构模型大致分为三段：线弹性段、弹塑性段、线性段(强化段)，在线弹性和弹塑性阶段，约束混凝土柱的本构模型和未约束混凝土柱的本构模型相同；当混凝土达到屈服应力以后，在PVC-FRP环向应力的作用下，核心混凝土的应力-应变关系呈现线性。于峰对Lam和Teng提出的约束混凝土本构模型中的部分参数做了修正，提出了一种新的PVC-FRP约束混凝土本构模型。

2.2纤维复合材料加固混凝土极限承载力的研究

2.2.1FRP加固混凝土的极限承载力

影响FRP加固混凝土柱极限承载力的因素很多，主要包括：核心混凝土的极限抗压强度，混凝土柱的截面形状、尺寸以及混凝土结构的稳定系数,纤维复合材料的强度、布置间距、层数等。Teng等[25]对碳纤维加固混凝土圆柱进行了试验研究，结果表明，碳纤维布加固混凝土圆柱，可使核心混凝土的极限抗压强度提高数倍。Mirmiran等[26]对不同长细比的GFRP约束混凝土圆柱进行轴压试验，并对试验数据进行统计分析，提出了约束混凝土柱极限承载应力和极限承载应变的表达式。Togay Ozbakkaloglu[18]对730个约束混凝土圆柱进行试验，文中总结了前人提出的88个FRP约束混凝土极限承载应力表达式,并对不同的承载应力表达式进行了系统分析。

于峰等[27]对纤维复合材料加固混凝土柱进行试验研究，并参照国内外的试验数据，提出了适用于混凝土短柱和混凝土中长柱的极限承载应力的表达式，在极限承载力的表达式中考虑了核心混凝土的极限抗压强度、侧向约束系数以及构件稳定系数、折减系数等。随着核心混凝土极限抗压强度、稳定系数及侧向约束系数的提高，构件的极限承载力均有不同程度的提高。

2.2.2PVC-FRP加固混凝土的极限承载力

Toutanji等[23]对38根PVC-FRP加固混凝土短柱进行轴心受压试验，结果表明，已加固混凝土的极限承载应力与核心混凝土的抗压强度、PVC-FRP极限抗拉强度及刚度有关。福州大学Jiang S F等[28]对PVC-CFRP加固混凝土进行了试验研究，试验综合考虑了核心混凝土的极限抗压强度、构件的稳定系数、碳纤维布的强度等因素对PVC-CFRP加固混凝土极限承载力的影响，提出了PVC-CFRP约束混凝土柱极限承载力的计算表达式。

碳纤维布的数量也会影响混凝土柱的极限承载力，在一定范围内随着碳纤维布的数量增加，混凝土的极限承载力有所提高，当碳纤维布的数量达到一定程度以后，碳纤维布的数量对构件的极限承载力的影响很小，故在使用纤维复合材料加固混凝土结构时应该综合考虑其要实现的价值及经济成本。

2.3纤维复合材料加固混凝土的耐久性研究

2.3.1FRP加固混凝土的耐久性

混凝土结构在耐久性设计时应充分考虑构件的使用环境[29]，纤维增强复合材料加固混凝土柱的耐久性主要与混凝土配比、纤维复合材料种类以及两者之间粘结剂的耐久性有关。

Debaiky等[30]对放置在腐蚀性环境中的碳纤维包裹混凝土柱进行了试验研究，结果表明，包裹碳纤维布以后，碳纤维布可以有效地阻止氯离子渗透，从而提高了混凝土构件的抗腐蚀能力。Homam[31]对冻融循环条件下的混凝土柱进行试验研究，结果表明，当GFRP外包混凝土柱处于冻融循环的环境中时，构件的强度和耐久性明显降低。在冻融循环作用下，其强度和耐久性比室温作用下GFRP外包混凝土柱低，相比之下，外包CFRP的混凝土柱在冻融循环作用下，其强度和耐久性变化不明显。

大连理工大学李杉等[32]对荷载和环境共同作用下的FRP加固混凝土耐久性进行试验研究，结果表明，在荷载和干湿交替双重作用下，碳纤维与混凝土界面的粘结性能降低，继而使得CFRP加固梁的极限承载力下降。大连理工大学李珍珍等[33]对碳化、冻融循环、干湿交替作用下的FRP加固混凝土柱进行试验研究，结果表明，碳化对于FRP约束混凝土柱的承载力影响较小，但在冻融循环作用下，FRP约束混凝土柱的承载力明显降低，此时FRP加固混凝柱的破坏机理较为复杂。

2.3.2PVC-FRP加固混凝土的耐久性

Toutanji等[34]对182根混凝土短柱进行试验研究，其中38根为室温环境、72根分别为200次和400次的冻融环境、72根分别为200次和400次的干湿交替环境，结果表明，相比于无约束混凝土柱，PVC-FRP加固混凝土柱的强度和耐久性增加。在干湿交替和冻融循环作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的耐久性远远超过PVC-GFRP加固混凝土柱和PVC-AFRP加固混凝土柱的耐久性。在400次的冻融循环和干湿交替作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的强度几乎没有变化，而PVC-GFRP和PVC-AFRP加固混凝土柱的强度则有不同程度的降低，其中PVC-GFRP加固混凝土柱的强度降低较为明显。Houssam Toutanji还指出，在冻融循环和干湿交替等环境作用下，PVC-CFRP加固混凝土柱的破坏模式发生变化，和CFRP加固混凝土柱的破坏机理较为相似。

2.4纤维复合材料加固混凝土抗震性能的研究

2.4.1FRP加固混凝土的抗震性能

赵彤，吴刚等[35-36]对碳纤维布增强钢筋混凝土结构进行抗震性试验研究，结果表明，碳纤维加固钢筋混凝土结构可以提高结构的抗剪承载力和延性，改善结构的抗震性能，使得钢筋混凝土结构的滞回曲线会更加饱满，同时指出混凝土强度，碳纤维布用量、包裹形式，构件的剪跨比、轴压比、截面形状等都会影响钢筋混凝土结构的抗震性能。

2.4.2PVC-FRP加固混凝土的抗震性能

目前，国内外对于PVC-FRP加固钢筋混凝土结构的抗震性方面研究较少。福州大学姜绍飞等[37]对PVC-FRP约束混凝土柱进行滞回性能试验研究，结果表明，外包PVC-FRP管的钢筋混凝土柱的滞回曲线较为饱满，捏缩现象不明显，并且随着纤维增强复合材料层数的增加，构件的延性提高越明显。姜绍飞同时也对碳纤维布和玄武岩纤维布包裹混凝土柱进行了试验，相比于玄武岩纤维布，PVC-CFRP加固混凝土柱的刚度退化较为缓慢，PVC-CFRP加固混凝土柱的抗震性能要优于PVC-BFRP加固混凝土柱。

3纤维复合材料加固混凝土的机理分析

3.1FRP加固混凝土的机理分析

由约束混凝土柱的轴压试验[38]可知，构件在混凝土达到屈服之前，其应力-应变关系曲线与未约束混凝土的应力-应变关系曲线相似，在混凝土达到屈服以后开始膨胀，此时纤维增强聚合物产生环向拉应变，核心混凝土柱处于三向受压的被动约束状态。在纤维复合材料产生的环向应力作用下，混凝土柱的极限承载力提高，延性增加。

3.2PVC-FRP加固混凝土的机理分析

于峰等[39]对12根PVC-FRP加固混凝土进行轴压试验，研究其破坏机理并绘制混凝土的应力-应变关系曲线。在线弹性阶段，混凝土与PVC管之间无径向压应力，混凝土的应力-应变关系曲线与未约束混凝土柱相似。在弹塑性阶段，混凝土内部裂缝开始扩展，混凝土膨胀，混凝土和PVC管之间产生径向压应力，随着PVC管的变形，FRP开始产生环向拉应变，对混凝土柱产生环向约束力。由于PVC管的存在，FRP的约束作用力可以均匀地传递到核心混凝土柱，减少了FRP端部应力集中的问题。在强化阶段PVC管发生塑性变形，横向变形增加，使得FRP产生较大的变形，PVC管和混凝土柱之间应力重分布，在PVC管和FRP的共同作用下，核心混凝土的极限承载力和延性均有不同程度的提高。

综上所述，纤维增强复合材料加固混凝土柱可以提高构件的极限承载力、耐久性、抗震性等，然而在表面曲率较大的地方容易出现应力集中现象，且碳纤维是一种脆性材料，限制了CFRP加固混凝土柱强度及抗震性能的提高。

针对碳纤维加固混凝土技术的局限性，作者提出了一种新的混凝土结构加固技术——含有聚脲弹性涂层的碳纤维加固混凝土技术。

4聚脲弹性涂层—碳纤维加固混凝土技术

所谓含有聚脲弹性涂层的碳纤维加固混凝土技术是指在碳纤维和混凝土界面处涂刷一层聚脲弹性涂层，从而可以提高碳纤维和混凝土基面之间的弹性性能，使得碳纤维的强度得到有效发挥。聚脲是一种固化速度快、可以在任意曲面上喷涂成型、绿色环保[40]的复合材料，其优势得到越来越多工程界的认可，目前已经广泛运用到高铁、土木、水利、国防等领域。

4.1聚脲弹性涂层—碳纤维加固混凝土的耐久性研究

翟文等[41]对聚脲的耐介质性进行试验研究，结果表明，聚脲弹性涂层是一种耐介质性较强的复合材料，聚脲的耐介质性如表1所示。

由表1可知，聚脲可以在强酸、强碱以及其他的腐蚀介质中存在，不会发生老化、退化等现象，主要是因为聚脲为一种有机无挥发性的溶剂，可以形成一层结构致密、无接缝的连续涂层，这样可以阻止氯离子等腐蚀性离子的侵入，纤维复合材料加固混凝土柱的耐久性和粘结剂的耐久性密切相关，故含有聚脲弹性涂层的碳纤维加固混凝土技术可以有效地改善混凝土结构的耐久性。

表1　SPUA的耐介质性

4.2聚脲弹性涂层—碳纤维加固混凝土的抗震性研究

聚脲具有储能能力[42]，其伸长率非常大，可以发生大变形。当聚脲承受冲击力作用时，聚脲可以迅速发生变形，将一部分冲击能量储存下来。当冲击力结束以后，聚脲较大的弹性形变可以瞬间恢复，释放出一部分能量，随着时间的延长，聚脲的形变还可以继续恢复，表现出黏弹性，这样聚脲可以免收冲击波的影响，可以提高结构的抗震性。

黄微波在进行纯聚脲技术用作自然灾害防御技术进行试验研究[43]，对混凝土柱在喷涂聚脲前后进行轴压试验以及对混凝土墙进行爆炸试验，结果表明，聚脲具有良好的抗压荷载的能力。喷涂聚脲以后的墙面在爆炸载荷的作用下，可以使墙面连接成一个整体，具有良好的抗冲击性能。

由于聚脲弹性涂层是一种弹性模量低、拉伸率大[44]的复合材料，故在碳纤维和混凝土界面涂刷聚脲弹性涂层后使得胶层材料的整体剪切刚度降低，有效地减缓了碳纤维布的脆性和应力集中现象，同时也有效地提高了碳纤维加固混凝土柱的承载能力和抗震性能。

5结论及展望

(1) 对纤维增强复合材料加固混凝土结构进行了详细的分析，有助于加深对混凝土加固技术的理解。

(2) 纤维增强复合材料加固混凝土技术可以提高混凝土构件的极限承载力、耐久性、抗震性等。

(3) 对FRP、PVC-FRP加固混凝土柱的原理进行了分析，为研发可以用于混凝土加固技术的新型材料提供了理论基础。

(4) 本文提出的聚脲弹性涂层不仅可以改善碳纤维和混凝土基面之间的弹性性能，而且能够提高混凝土构件的耐久性。

(5) 由于聚脲弹性涂层的高延伸率和储能能力，故可以改善纤维复合材料的脆性特性，提高构件的承载能力和抗震性能。

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Research Process of the Concrete Structure Strengthened with Fiber Composite Polymer

LI Bingqi, ZHOU Yuexia

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract：Fiber composite polymer has been widely used to structure reinforcement of civil engineering and architecture because of its light weight, high strength, corrosion resistance, fatigue resistance, damping performance etc. Based on the research progress of composites reinforced concrete technology, this paper discussed the constitutive model of reinforced concrete and the ultimate bearing capacity, the durability, the earthquake resistance of the reinforced concrete structure and the mechanism of fiber composites reinforced concrete structure. Finally polyurea elastomeric coating as a new reinforcement material was introduced in this paper, which can effectively improve the bearing capacity, the durability and the earchquake resistance of the reinforced concrete structure.

Keywords:FRP； PVC-FRP; polyurea elastomeric coating; constitutive model; earthquake resistance

文章编号：1672—1144(2016)01—0085—06

中图分类号：TU375.3

文献标识码：A

作者简介：李炳奇(1966—)，男，吉林农安人，双博士，教授级高级工程师，主要从事结构加固与诊断等方面的研究。 E-mail：libq@iwhr.com

收稿日期：2015-09-20修稿日期：2015-10-15

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.016