纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀与施工简便等优势,通过外粘贴、包裹或嵌入式等施工方法,使纤维增强复合材料与被加固结构共同承载,可以有效提升结构的承载力、抗震性能、耐久性及长期疲劳蠕变等服役性能。
按照纤维分类,纤维增强复合材料主要分为碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料与玄武岩纤维增强复合材料等4类(见表)。①碳纤维增强复合材料,具有优异的力学性能与耐久性能,在结构加固中应用最为广泛,但价格相对较高。②芳纶纤维增强复合材料,芳纶纤维抗剪切性能与抗冲击性能优异,但价格较高,耐蠕变性能与环境耐久性能较碳差,主要用于结构的抗冲击/抗爆加固。③玻璃纤维增强复合材料,玻璃纤维价格低廉,但模量较低,耐腐蚀性能与耐蠕变性能较差,应用范围相对受限。④玄武岩纤维增强复合材料,玄武岩纤维耐蠕变断裂性能突出,21世纪以来也被广泛应用于结构加固。
结构加固纤维增强复合材料种类、主要制品形式与优缺点种类 | 主要制品形式 | 优点 | 缺点 |
碳纤维增强复合材料 | 布、板、筋/索、网格 | 高强度、高模量,抗疲劳,抗蠕变,耐久性能优异 | 断裂伸长率较低 |
芳纶纤维增强复合材料 | 布、索 | 优异的抗剪、抗冲击性能,耐磨损 | 蠕变性能差,模量较低 |
玻璃纤维增强复合材料 | 布、筋、网格 | 价格低廉,强度高,断裂应变大 | 模量低,耐久性能较差,耐蠕变与抗疲劳性能较差 |
玄武岩纤维增强复合材料 | 布、筋/索、网格 | 价格较低廉,强度高,断裂应变大,抗蠕变断裂好 | 模量较低 |
纤维增强复合材料是重要的土木工程结构加固与修复用新型高性能结构材料。纤维增强复合材料通过外粘贴、外包、嵌入和体外增强等方法(图1~图5)与被加固结构(如混凝土或钢结构)共同承载,恢复或提升被加固结构的服役性能;同时,外粘贴纤维增强复合材料(包括布、板、网格等)可以隔离被加固结构与腐蚀环境,从而提升被加固结构的耐久性能。在湿热环境下,外粘贴纤维增强复合材料与被加固结构表面剥离是外粘贴加固失效的主要原因,采用高性能胶黏剂(主要包括环氧树脂和聚合物砂浆等)与合适的施工工艺可以避免上述问题发生。采用预应力加固技术,可以更充分地利用纤维增强材料的强度,提高结构在使用阶段的力学性能,并提升加固效率与耐久性。嵌入式加固可以避免纤维增强复合材料接触外界环境,同时可以增加纤维复合材料与被加固结构的粘贴面积,提升加固结构的抗剥离性能与高温耐火性能。结构加固用纤维增强复合材料的性能要求和结构加固设计方法参见国家标准规范《纤维增强复合材料工程应用技术标准》(GB 50608—2020)。
图1 纤维布外包加固
图2 纤维板预应力加固
图3 纤维板或筋嵌入式加固
图4 纤维筋体外预应力加固
图5 纤维网格加固
提高结构加固用纤维增强复合材料的性价比是结构加固纤维增强复合材料的重要发展方向之一。21世纪以来,各国基于低成本大丝束碳纤维,研发了更高性价比碳纤维增强复合材料制品,高性价比玄武岩纤维复合材料制品等。其次,研发新型纤维复合材料制品(如网格、索等),提高纤维复合材料在重大工程结构加固中的应用范围与应用效果,是结构加固用纤维增强复合材料的另一个重要发展方向。如何创新性发挥利用纤维增强复合材料的其他功能特性(如绝缘、无磁性、低导热与自传感等),开拓创新型结构加固应用方法与范围,也是未来纤维增强复合材料的重要发展方向。