混凝土结构中纤维增强复合材料的应用技术研究

碳纤维加固技术在建筑工程中的应用研究

摘要：建筑工程进行的各个阶段都会出现各种各样的影响因素，由此实际中往往需要采取相应的措施来对结构物进行修补、加固。实际施工证明，选用碳纤维材料来加固混凝土结构是比较切实可行的，它运用了比较先进的技术，是一种比较新兴的建筑结构加固措施。

关键词：碳纤维 加固技术 工程建筑

1 碳纤维加固结构构件技术原理

碳纤维材料加固混凝土构件技术，顾名思义就是运用纤维增强复合材料片材粘贴在混凝土结构的外面，与此同时还要将两者相互结合起来共同受力，这样使得材料之间得到更强的加固。碳纤维材料拥有的强度、弹性、抗腐蚀性等的优势使得它能够承受住比一般的钢筋大10倍的应力，而它的弹性模量比一般钢筋还高。碳纤维材料由于其抗拉强度是普通钢的10倍而弹性模量是普通钢的1-2倍，再加上能够长时间维持良好的施工性能，而成为加固修复材料的首先替代品。配套树脂通常是由底层树脂、找平树脂和粘结树脂三种组成。底层树脂和找平树脂有增强碳纤维的粘结质量的功能，而粘结树脂的主要功能就是让碳纤维和混凝土可以结合在一起，组成一个个体，一起完成工作，以增加构筑物的三抗能力（抗弯、抗剪、抗承载力），最终实现结构构件的稳固。因此碳纤维材料与配套树脂在混凝土加固技术中是两种最常用的材料。

2 碳纤维材料的基本特性

要实现碳纤维增强复合材料补强加固可以选取碳纤维片材，这样的材料主要是使用强度比较好、弹性比较高的连续碳纤维材料，这种碳纤维材料呈单向排列成束，再使用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板进行补强。

2.1 碳纤维片材。片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能各不一样，碳纤维片材依力学性能主要是由高模量、高强度和中等模量来组成的。高模量碳纤维片材的特点就是，虽然它的伸长率过低，但是弹性模量很好较高。

130柴勇林 等 纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

作者简介：柴勇林， 高级工程师 ，研究方向：土木工程。纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

柴勇林，李秉洪，梁晓东，尹亚伟，张瑨博

὇山西建工集团第四工程公司Ὃ山西太原030021Ὀ

摘要：纤维复合材料轻质高强、抗腐蚀、耐久性好等突出的综合材料性能，使其在土木建筑工程领域得到了广泛的关

注。为推动纤维复合材料的进一步发展与深入应用，该文从纤维混凝土复合材料、智能混凝土以及碳纤维复合片材补

强等角度出发，综述了纤维复合材料在土木建筑工程中的应用现状，对比传统建筑材料的应用特点，总结了当前主流

纤维增强复合材料的应用形式，为其在建筑工程中的应用提供一定的参考。

关键词：纤维复合材料；土木建筑工程；智能混凝土；应用研究

中图分类号：TU 599

Study on the Application of Fiber Reinforced Composites in Civil Engineering

CHAI Yong-lin, LI Bing-hong, LIANG Xiao-dong, YIN Ya-wei, ZHANG Yi-bo

(Shanxi Construction Engineering Group No.4 Engineering Company, Taiyuan 030021, Shanxi, China)

Abstract: The outstanding comprehensive material properties of fi ber composites, such as light weight and high strength, corrosion

resistance and good durability, have made them gain wide attention in the fi eld of civil construction engineering. In order to promote

纤维增强复合材料（!"#）加固混凝土柱研究进展!刘涛冯伟张智梅欧阳煜（上海大学上海$%%%&$）摘要：纤维增强复合材料（!"#）在混凝土结构加固中得到了广泛的应用。依据国内外相关资料，从!"#材料类型与施工方法、试验加载形式、混凝土柱截面形式、加固后柱的强度、延性及破坏模式等方面，对!"#加固混凝土柱的大量研究成果进行了总结评述，并对今后可能的研究方向提出了展望。关键词：纤维增强复合材料（!"#）混凝土柱加固!"#!$%&##&’()’*+#!"’(#,"’&’($%-$’-!"#"-$./0’+1&#,%!2：)+#)#"’$%’#,"’)!#!"3&"1()*+,-!./01.)23,/023)4.)5*6,/07*（83,/03,)9/):.;<)=683,/03,)$%%%&$）)4567896：!)>.;;.)/?-;@.AB-C64.;<（!"#）3,:.>../*<.A.D=./<):.C6)/=3.;.=;-?)==)/0,/A<=;./0=3./)/0-?@-/E@;.=.<=;*@=*;..)/0;.=;-?)==.A-;<=;./0=3E./.AF+3.;.<.,;@3;.<*C=<,/A,@3).:.4./=<,;.A)<@*<<.AFI/=3../A，<-4.<=*A).<=3,=<3-*CA>.A.:.C-B.A)/=3.?*=*;.,;.B*=?-;H,;AF:;<=>7?5：?)>.;;.)/?-;@.AB-C64.;（!"#）@-/@;.=.@-C*4/;.=;-?)==)/0／<=;./0=3./)/0@引言大量的混凝土结构（如：房屋建筑、桥梁、高架桥／路等）位于地震区，其中柱构件抗震能力的强弱直接关系到结构安全，许多不满足现代设计要求的混凝土柱需要进行加固工作。传统的混凝土柱加固方法有：钢板加固、增大混凝土截面等。在工程实践中，这些方法都存在某些方面的问题（如：钢材易腐蚀，增大截面会直接影响结构的自重和刚度等），因此，其应用受到了一定的影响。纤维增强复合材料’!"#（!)>.;’".)/?-;@.A’#-C64.;／#C,<=)@<）具有轻质高强、施工速度快、维护费用低、耐腐蚀、耐疲劳、不明显增加截面尺寸等优点。近年来，在混凝土结构加固中得到了广泛应用。王苏岩等［J］、岳清瑞［$］、倪永军等［K］、于清等［L］、M.,C.［N］、+./0等［O］分别从不同角度对!"#加固混凝土结构（包括混凝土柱）的研究进展情况进行了一定的评述。在混凝土柱的加固研究中，研究人员采用了多种!"#材料，并取得了大量的研究成果；为便于研究及工程技术人员及时全面地掌握!"#加固混凝土柱的研究进展及相应的研究成果，本文将详细地从!"#材料类型与施工方法、试验加载形式、混凝土柱的截面形式、加固后柱的强度、延性能力及破坏模式等方面对取得的研究成果进行较为系统地总结评述。!本课题受上海市教委基金资助：编号为（%KGPNN）和（%LGQLL）。第一作者：刘涛JR&$年出生博士研究生讲师收稿日期：$%%N’J$’$SA%!2材料及施工方法将混凝土结构加固常用的增强纤维（如：碳纤维’T,;>-/、玻璃纤维’UC,<<、芳纶纤维’G;,4)A）放入到不同的基体材料（如：各种聚脂、环氧、乙烯基树脂等）中，经过一定的成型技术，形成的新型复合材料就是我们这里所讲的!"#材料。由于!"#材料的纤维和基体材料不同，其力学性能有较大差异（表J）。对应以上三种不同纤维，将!"#材料用以下符号：T!"#、U!"#、G!"#表示。目前，采用T!"#或L%%JI/A*<=;),CT-/<=;*@=)-/V-CWKO，8*BBC.4./=，$%%O工业建筑$%%O年第KO卷增刊!"#$加固混凝土结构的研究和实际应用较多，而关于%"#$材料的加固研究和应用相对较少。"#$材料加固混凝土柱的常用施工方法，根据"#$和具体安装方法不同，可用图&表示［’］。由于人工粘贴纤维布（条带）和预制"#$板的施工方法快捷，能适应于不同的截面形状，在"#$材料加固混凝土柱的施工中应用最为广泛。表!"#$的材料性能比较［%］单向纤维纤维重量比／(密度／（)*+,）纵向弹性模量／!$-抗拉强度／!$-."#$/0!10&23!42040!//025!&21."#$3/!’/&23!&26&40!4/0&24!424/%"#$30!’0&20/!&24/50!&4/&20!&21-+粘贴纤维布；7+缠绕纤维束；8+使用"#$绳／条；9+自动缠绕；:+粘贴预制"#$板；;+缠绕织物后树脂真空注入图&"#$加固混凝土柱的常用施工方法［’］&"#$加固混凝土柱研究"#$材料对圆形混凝土柱的约束比较均匀，加固效果很好，可以直接使用；而对于矩形柱，由于受力时，在柱角部的"#$材料会产生很强的应力集中现象，影响"#$材料性能的发挥，通常要进行“倒角”或改变截面形状。为方便讨论，本文中做如下规定：将纤维缠绕方向以圆周或矩形周边方向为基准，如：0-?等［1］进行了大量的."#$／."#$包裹素混凝土圆柱体（&/4**@,00**）的试验研究，其中关于碳纤维（0<）加固试验结论为：选用不同层数."#$约束混凝土柱，其强度和延性有很大提高，约束混凝土的性能由"#$的约束模量控制，"#$材料断裂使得约束混凝土达到极限条件，此时"#$材料的应变值大大低于材料性能试验时的应变值。A-B7C-B>等［6］也进行了."#$／!"#$材料加固混凝土圆柱体试件的试验研究，粘贴碳纤维时采用了多种不同方向（0<，D5/<，60<）及层数。结果表明，环向粘贴碳纤维对混凝土的强度和应变提高有更好的效果，层数越多，提高效果越明显。EC:B>-FG)等［&0］对."#$（0<）／!"#$（0<，60<）加固混凝土圆柱体试件进行研究后指出：."#$的破坏具有突发性，破坏前没有任何征兆，而!"#$的破坏比较稳定：除小尺寸试件（/&**@&04**）有严重的尺寸效应外，其他试件结果偏差不大，"#$材料的约束应力和长细比无关。H-BB>:I［&&］等将."#$／!"#$约束视为变化约束，研究了混凝土圆柱体试件（&/4**@,0/**）的膨胀比（横向应变与轴向应变之比）的变化规律，并指出!"#$材料由于编织方式不同，试验过程中有约束松弛现象。矩形截面：#?8C:)):等［&4］研究了"#$约束矩形混凝土柱的性能。试验选用不同截面尺寸和倒角半径（!"/，4/，,1）。结果表明，"#$的约束效果直接同混凝土柱的截面形状有关，约束刚度和倒角大小也直接影响约束效果。欧阳煜等［&,］进行!"#$片材加固混凝土方柱（&00**@&00**@400**，&/0**@&/0**@5/0**）的试验研究得出：在一定层数范围内!"#$片材可以有效提高柱的承载能力。李静和钱镓茹等［&5］在对"#$约束的矩形混凝土柱研究中指出了柱的破坏形式有轴压破坏和斜压破坏两种。J-K和E:KL［&/］根混凝土轴压试验/00&纤维增强复合材料（"#$）加固混凝土柱研究进展———刘涛，等得出的数据并结合其他的研究数据进行分析，并提出了!"#约束混凝土矩形柱的应力应变模型。$）!"#约束素混凝土柱偏压试验许多混凝土柱承受偏心荷载作用，应变梯度对!"#约束效果的影响必然不可忽视。#%&’()等［*+］研究了,!"#套箍（-.）加固矩形素混凝土柱（*-/001*-/0012-300，!"/4$+）遭受偏心受压荷载的情况：,!"#套箍极大地提高了偏心荷载作用下柱的强度和延性，但即使在偏心率很小时，应变梯度的存在也降低了!"#加固的有效性，,!"#套箍刚度是加固设计的关键参数，加固效果与套箍刚度成正比。于清和韩林海等［*5］研究了碳纤维约束圆柱体试件的偏心荷载试验，并推导了压弯构件的承载力相关方程。2）!"#约束钢筋混凝土柱轴压试验678%9%)(等［*/］采用两层碳纤维（-.，厚度为$00）约束配筋圆形截面（$-2001/3-00）和矩形截面（*/-001*/-001/3-00，!:-，*$）混凝土柱试验指出：,!"#约束极大地提高了圆形混凝土柱轴压强度，延性性能也得到改善；矩形混凝土柱的强度没有提高，但对柱进行倒角处理后加固，其轴压强度和延性可以得到提高，试验以,!"#爆裂终止。#;77(<(等［*=］进行了矩形（>3/001>3/001*/2-00，!:2/）和圆形（3-/001*/2-00）钢筋混凝土柱的轴压试验，纤维缠绕方向分别为-.及?>3.（@!"#）和-.（,!"#）。混凝土柱的强度和应变随着!"#强度和刚度的增加而增大，截面形状对柱的加固效果影响较大。潘景龙等［$-］进行了圆形、矩形（包括倒角）、椭圆形截面钢筋混凝土短柱经高强纤维包裹后的试验研究，也进一步证实了柱截面形状对约束效果有很明显影响，圆形截面优于非圆形截面，椭圆、倒圆角截面优于直角矩形截面柱。>）!"#约束钢筋混凝土柱受轴压和侧向荷载共同作用试验圆形截面：A9;(<9等［$*］以轴力大小、箍筋间距、!"#类型和厚度为研究参数对圆形截面柱（23+001*>5200），采用@!"#、,!"#包裹及粘贴,!"#条带进行加固。试验表明，!"#加固极大地提高了混凝土柱的延性、能量耗散能力，箍筋约束不足的问题通过使用!"#加固得到解决。用!"#修复受损的混凝土柱时，修复效果取决于!"#数量和柱子的受损程度。矩形截面：B%CDEFCC(等［$$］选用不同层的,!"#（-.）加固矩形钢筋混凝土柱（2-30012-3001*>5200，!:*+）的试验研究指出：,!"#套箍极大地改善了混凝土柱的延性和能量耗散能力，破坏形式由弯剪破坏转为弯曲破坏；增加,!"#层数修复受损伤柱，也取得了很好效果。李忠献等［$2］研究了轴压比、!"#用量、配箍率、加载顺序对,!"#布（-.）加固混凝土短柱（2--0012--001+/-00）抗震性能的影响，试验表明加固的钢筋混凝土短柱具有很好的延性，但先施加轴力后加固，会降低!"#对混凝土柱的约束作用。赵彤等［$>］研究了,!"#布（-.）加固混凝土极短柱（$--001$--001>--00）的抗震性能，结论为：横向包裹碳纤维布可以提高抗剪承载力，转变破坏形态，改善混凝土柱的变形性能。张轲等［$3］对碳纤维布加固钢筋混凝土柱（$--001$--0015--00，!:*3）的试验研究也得出了相似的结论。GDF7(%7等［$+］对纵向钢筋腐蚀的矩形柱（$3-0013--001*+--00）进行加固研究表明，!"#加固可以改进钢筋锈蚀的不利影响，但是缺陷存在降低了加固效果；试验中多为!"#断裂，钢筋屈曲。H%&%IJ(等［$5］采用,!"#加固纵向钢筋搭接连接混凝土柱（*3-0012--001*---00），加固区域为搭接塑性铰区。研究显示，,!"#可以降低混凝土剥落及钢筋的粘结恶化现象，是加固搭接连接混凝土柱的一种有效方法，但在塑性铰区以外2--!>--00范围内出现了剪切斜裂缝。A%F7;等［$/］对,!"#约束混凝土方柱（>3/001>3/001$>>-00，!:>3，-.，足尺模型）的延性性能进行了研究，轴力水平为-4$+，主、次加固区长度分别为3--00，试验中采用>／+层,!"#加固混凝土柱内的纵向钢筋断裂，,!"#套箍没有发生破坏。虽然，钢筋混凝土柱受轴压和反复侧向荷载作用可以很好地模拟地震灾害，但是不同的加载过程、轴力水平、加固区域长度、构件长细比、材料厚度与层数、施工方法等都会对试验结果有较大影响，从而使得试验结果之间不能直接对比分析。!"!混凝土填充!"#管混凝土填充!"#管柱在受力时，!"#管起到纵向钢筋和箍筋的作用，在新建结构中可以取代模板，所以掌握混凝土填充!"#管的受力性能，就可以找到利用!"#材料的新途径。*）轴压试验K(&0(&%)等［$=，2-］进行了混凝土填充@!"#（?*3.）圆管（*3$430012-300）的试验研究。结果表明，@!"#管是一种很有效的约束形式，极大地提高了混凝土的强度和延性。约束混凝土具有双线性的反应特性。试验揭示了混凝土填充@!"#管受荷+--*工业建筑$--+年第2+卷增刊

住房和城乡建设部 纤维增强复合材料工程应用技术标准

住房和城乡建设部 纤维增强复合材料工程应用技术标准是当前建筑行业中的重要标准之一，它涉及到建筑材料的质量、性能、工艺和安全等多个方面。在建筑工程中，纤维增强复合材料被广泛应用于各个领域，比如混凝土加固、抗震加固、桥梁修复等。它的应用可以提高工程结构的抗拉强度、抗压强度和耐久性等性能，对于提高建筑物的安全性和可靠性具有重要意义。

在这篇文章中，我们将从纤维增强复合材料的基本概念、应用范围、工程标准等方面进行全面评估，以帮助读者更全面、深入地了解这一领域。文章内容将包括对纤维增强复合材料的定义和特点、在建筑行业中的应用情况、以及住房和城乡建设部颁布的相关技术标准，还将共享个人对这一主题的理解和观点。

一、纤维增强复合材料的定义和特点

纤维增强复合材料是指以纤维作为增强材料，与树脂、金属、陶瓷等基体材料复合而成的新型材料。它具有质轻、高强度、耐腐蚀、耐磨损等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。纤维增强复合材料的种类有很多，比如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，它们各自具有不同的特性和适用范围。

二、纤维增强复合材料在建筑行业中的应用

在建筑工程中，纤维增强复合材料被广泛应用于混凝土结构的加固和修复。在地震频发的地区，可以利用碳纤维片或布对混凝土进行加固，提高结构的抗震性能。纤维增强复合材料还可用于桥梁的维修、隧道的加固以及建筑物的防腐保护等方面，对于提高建筑物的耐久性和安全性具有重要作用。

三、住房和城乡建设部纤维增强复合材料工程应用技术标准

住房和城乡建设部颁布了一系列关于纤维增强复合材料工程应用技术标准，包括材料的选择、工艺的要求、施工的规范等方面。这些标准的制定对于规范纤维增强复合材料在建筑工程中的应用具有重要意义，可以保障工程质量、安全和可靠性。

总结回顾

通过本文的介绍，我们对纤维增强复合材料的基本概念、应用范围和相关技术标准有了更全面的了解。纤维增强复合材料作为一种新型材料，其在建筑工程中的应用前景广阔。住房和城乡建设部的相关技术标准的颁布，对于规范和推动纤维增强复合材料的应用具有积极的促进作用。