摘要：本文對國際上采用的復合材料補強加固混凝土結構建筑物新技術，從復合材料的優勢、修補原理、原材料選擇、加固施工工藝、加固施工中應考慮的問題幾方面闡述，提供試驗數據供參考，旨在將此技術在我國得到進一步發展，更好的應用于土木工程建設中。
關鍵詞：復合材料，加固，混凝土結構，建筑物

在混凝土加固技術這門復雜學科中，愈來愈對修復和維護基礎結構提出要求。建筑物中最普遍、最常見的破壞就是裂縫。它的產生是由于結構設計、地基變形、施工因素、結構受荷、鋼筋銹蝕、溫濕度變化等多方面原因引起的。隨著新材料的不斷涌現，現已形成了多種修復方法。
與傳統材料相比，纖維復合材料在建筑物修補中有以下6點優勢：
1.纖維復合材料，特別是碳纖維復合材料具有高比強、高比模的特點，對于結構承受動靜載荷要求可進行優化設計；
2.減少維護成本，增加使用壽命，在自然環境中，長期使用強度不會減弱；
3.現場需用設備及原材料少，不受形狀限制，可保證施工質量；
4.施工簡便，施工時間短，減少交通中斷時間；
5.增加結構的耐久性、抗斷裂性及抵抗各種腐蝕性能。
6.具有一定的環保意義。
此方法作為國際上補強加固混凝土結構建筑物的新技術，在美國、日本等國家已得到應用。主要用于橋梁、鐵路、高速公路、機場、港口、電站及民用住宅等修復。
一、技術原理
將浸漬膠液的增強材料粘貼在要修補的結構上，形成一個新的復合體。在共同受力中，增強結構的抗拉、抗剪能力，提高其強度、剛度、耐腐蝕性。使構件受荷載時，裂縫被"分散"成短小而細碎的裂縫并均勻地分散于構件的受拉區，使構件截面受壓區高度增大，增強構件的承載能力。特別是采用碳纖維片加固，由于碳纖維的高強度、高彈性模量性能，可以有效地約束的側向變形，提高加固物的強度和韌性，提高其抗震性能。
二、    原材料選擇
工程上生產與應用的纖維復合材料主要由2部分材料組成：增強材料和基體材料。
(一)增強材料
增強材料主要以玻璃纖維織物、碳纖維織物、玻璃纖維、碳纖維等材料為主。增強材料在復合材料中起到承受外載的能力，提供強度與剛度。
其中玻璃纖維織物早在七十年代就有應用，施工中采用手糊方式。隨著科學技術的發展，而國外又將纖維制成單向預浸紗帶（單向片材）見圖1，除發揮纖維本身性能外，更便于現場靈活施工。

圖1單向預浸紗帶采用熱熔預浸工藝流程圖
表1列出部分纖維復絲拉伸性能，僅供使用此方法的科技人員根據設計指標參考選擇。測試標準采用《GB/T3362-2005碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》，玻璃纖維復絲拉伸性能測定參照此方法進行。

注：1200Tex為玻璃纖維，其余均為碳纖維。
(二)基體材料
基體材料在纖維復合材料中起到傳遞力的作用，其斷裂延伸率要高于增強材料。
用于混凝土加固技術的纖維復合材料基體材料主要以環氧樹脂體系為主。通過增加助劑（增韌劑、橡膠等）來提高其黏附性、抗裂性和結構延展性等性能，以滿足使用要求。樹脂體系材料的選擇是否滿足要求需從如下幾方面考察。
1.樹脂體系反應活性曲線
可利用DSC（差示掃描量熱儀）測得樹脂體系的反應活性曲線。通過對反應峰峰始溫度、峰值溫度、峰終溫度、反應放熱量的掌握，確定固化條件。
2.樹脂體系反應時間
樹脂體系的反應時間主要是指樹脂在工作環境中使用時間及凝膠時間。這兩項反映了樹脂體系的活性和適用性，以便根據不同的使用溫度和條件，調整樹脂體系配方。測試標準與方法采用《GB/T12007.7-1989環氧樹脂凝膠時間測測定方法》，《JC/T774-2004預浸料凝膠試驗方法》。
3.樹脂體系固化度
樹脂體系固化度隨溫度、時間而變化，一般是溫度高，固化度會提高，樹脂體系的黏度會增大。固化度在90%以上的樹脂體系適合纖維復合材料補強加固應用。
4.樹脂體系力學性能
將適合的環氧樹脂體系制成澆鑄體，測其力學性能如表2所示：
表2環氧樹脂體系澆鑄體力學性能


三、施工工藝
復合材料加固施工工藝為：表面處理→膠泥填補裂縫→硬化養護→修補找平→涂專用接著樹脂→貼復合材料→脫泡處理→涂專用接著樹脂→表面處理。
復合材料根據選擇的樹脂體系不同，其加固施工工藝過程也有所不同。樹脂體系的選擇基本分為常溫（環境溫度）固化樹脂體系和超常溫（環境溫度無法固化）固化樹脂體系兩種。
采用常溫固化樹脂體系中，增強材料為織物的，在上述工藝流程中貼復合材料這一步可在施工現場進行，采用復合材料中常用的手糊工藝，達到設計所需厚度。若采用預浸紗帶的可在施工現場鋪放預浸紗帶達到所需厚度。此方法適用于形狀復雜的補強加固中。
超常溫固化樹脂體系，通常使用在強度、剛度要求特別高的修補加固中。在上述工藝流程中貼復合材料這一步中，是將預浸紗帶預先制成高強度的復合材料板材，現場施工中直接使用膠粘劑粘貼在需要補強加固的部位。預浸紗帶通常選用高性能纖維。
四、加固施工中應考慮的問題
在討論這些問題前，首先給出一些單向纖維增強環氧樹脂平板的性能測試數據，見表3。
表3單向纖維增強環氧樹脂平板性能

(一)強度方面的考慮
混凝土建筑物補強加固的目的是能夠長期保持建筑物正常工作。要達到這一點，首先計算出補強加固建筑物的承載強度，測定復合材料的各項強度指標。假設兩者強度一致，計算出復合材料補強加固截面積。
                                                         
式中：F—承受載荷，單位N。
(二)彈性模量方面的考慮
彈性模量是體現剛度的重要指標，即抵抗變形的能力。混凝土建筑物與復合材料之間的彈性模量存在差異。若考慮受拉變形一致，則有如下等式：
纖維復合材料拉伸彈性模量為：

式中：E—拉伸彈性模量，單位GPa；
∆P—載荷增量，（截取于載荷、—變形曲線的直線段），單位N；
L—試樣標距，單位mm；
∆l—標距內對應于∆P的變形增量，單位mm；
S—承載截面積，單位cm2。
纖維復合材料截面積為：
                                                        
通過兩種方法計算的纖維復合材料截面積基本是一致的，若存在差異取較大值。
(三)膠結面的抗剪切強度的考慮
膠結面的抗剪切強度可通過粘接件剪切試驗直接考察。需要考察的粘接面為：混凝土建筑物/混凝土建筑物；混凝土建筑物/膠粘劑。膠自身的抗剪切強度。
(四)溫度應力的考慮
環境溫度的變化對于建筑物來說是一種較為嚴峻的考驗。因此，在復合材料修補加固中也應考慮此項內容，則混凝土拉應力為：

式中：α1—建筑物線膨脹系數；
α2—復合材料線膨脹系數；
∆t1、∆t2—環境溫度差。
(五)修補加固后模擬試驗
通過載荷試驗，分析實際受力情況，檢驗纖維增強復合材料修補加固混凝土建筑物的實際使用效果。
試驗通過粘貼應變片，測試載荷、撓度、應變、形變等項目，通過應力—應變曲線；應力—時間曲線；應變—時間曲線；各界面的縱、橫載荷—撓度曲線；全面考察纖維復合材料的修補加固效果。
五、結論
我國擁有巨大的建筑市場，在近百億平方米的建筑物、大量的構筑物、隧道、橋梁以及涵洞結構中，混凝土結構占有非常大的份額，而許多這類結構由于長期使用、老化、意外事故、設計原因以及施工缺陷等因素，造成結構開裂、安全性能降低、抗震性能減弱、承載力不足等問題，急需有效、耐用、施工簡便的高新材料及加固修補的施工技術。這是一個可持續發展的社會問題,也是建筑工程中急需研究的重大課題，具有極大的研究推廣應用價值及潛在的巨大社會、經濟效益。希望在我國復合材料補強加固混凝土結構建筑物技術能夠得到進一步研究、開發和推廣應用。
參考文獻：
1、姜亞明，劉良森，葉雪康《建筑物補強材料用經編單軸向碳纖維織物》針織工業2004（3）
2、張佐光《建筑物加固修復用復合材料技術》復合材料學報2001（1）