纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术综述

引言

混凝土是一种用水泥。砂。石子和水按一定比例混合制成的建筑材料,其中,砂。石子通常被称为骨料。混凝土的强度取决于水泥。骨料和水的比例以及骨料的类型。

混凝土结构在土木工程中被广泛采用。然而,混凝土是一种脆论文网性材料,在服役过程中,由于长期暴露在侵蚀性环境下而产生钢筋的锈蚀。混凝土的劣化等现象,使混凝土结构性能降低,需要对其进行加固。

对混凝土结构进行加固的传统方法主要有增大截面法。外包钢加固法。预应力加固法。粘钢加固法。裂缝修补法。喷射混凝土加固法等。20世纪末兴起了一种新的加固技术――纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术,与传统的混凝土结构加固方法相比,FRP加固技术具有以下优点:高强。轻质。耐腐蚀。可设计性强。施工方便,被广泛应用于梁。柱。桥面板。路面。楼板。墙。拱。烟囱及隧道等混凝土结构的加固中。

一。技术定义

1。基本概念

纤维增强复合材料(FRP,FiberReinforcedPlastic/Polymer)是一种以树脂为基体材料,以纤维为增强材料,并掺加辅助剂,经过一定工艺复合形成的材料。

纤维增强复合材料(FRP)加固混凝土结构技术是将纤维增强复合材料固定在混凝土结构表面,形成复合材料体,通过纤维增强复合材料与混凝土结构的协同作用,达到对原结构补强加固和改善结构受力性能的目的。

2。FRP常用类型

常用的FRP材料包括碳纤维增强复合材料。玻璃纤维增强复合材料。芳纶纤维增强复合材料。玄武岩纤维增强复合材料等。

3。FRP产品的主要形式

FRP产品的主要形式有片材(板材和布材)。型材(矩形。工字形。蜂窝型。格栅型。层压型)。筋材(圆筋。方筋。变形筋。预应力张拉用的绞线和筋束)等。

4。技术分支

纤维增强复合材料加固混凝土结构技术的技术分支主要有:纤维增强混凝土构件的结构。纤维增强复合材料及其制备方法。纤维增强混凝土加固工艺或加固装置。加固效果测试装置或方法。

二。国内专利申请情况

1。国内年申请量统计

图1显示了国内自1994年至2013年纤维增强复合材料加固混凝土结构技术的专利申请量的年度状况。可见,1994年出现了第一件相关申请,此时国内相关技术刚刚起步,申请量极少;自2000年开始申请量逐渐有所增加,发展较为平稳;2009年之后发展较为迅速,申请量有了明显的增加;2013-2014年申请量的增加极为明显。可以看出,国内相关申请起步较晚,申请量总体趋势是逐渐增加的,现在正处于迅猛发展后趋于稳定的阶段。

2。国内主要申请人分析

图2显示了纤维增强复合材料加固混凝土结构技术的申请人类型分布情况。从图2中可以看出,高校及研究所申请人占了半数以上,公司申请人次之,个人申请人最少。高校及研究所申请人最多,很大一部分原因在于高校及研究所较为注重高端技术研究和开发,并通常站在技术的前沿,对于专利申请也较为熟知和热衷。而相关技术领域内的公司也往往致力于技术研发,专利申请的积极性也不断提高。

三。国内FRP加固混凝土结构技术演进

四川省建筑科学研究院1994年提出了一种预应力张拉纤维增强筋的复合锚固装置(CN2227159Y),由一带灌浆孔的套筒通过螺纹将一环状定位板和一空心螺杆内外联系在一起形成一个可分段注入不同胶凝材料的复合锚固系统,可对预应力张拉纤维增强筋进行便捷。可靠的锚固。

日本SHO-BOND建设株式会社1999年提出了一种补强加固混凝土建筑物的方法(CN1231371A),用于补强加固桥梁。房屋。隧道。堤坝等钢筋混凝土建筑物,其中包括粘合法碳纤维布补强加固混凝土建筑物的方法。该方法中,用于碳纤维布粘贴混凝土表面的粘合胶为环氧树脂类胶。补强加固后的建筑物改善了原结构的应力分布,降低了每部分的应力强度,从而提高了建筑物的负荷能力,延长了安全使用的寿命,可以避免建筑物重建所带来的巨大投资压力。

东南大学2003年提出了一种用于土木工程加固混凝土结构的片材(CN1456769A),该材料以树脂充当连续相,纤维单向排布在树脂中间,二者结合为一体,加工方法为预先对纤维施加预应力,使纤维充分发挥其增强作用,然后采用模压成型的方法将树脂溶入到纤维之间,形成连续纤维增强热塑性树脂基复合材料片材。

同济大学2005年提出了一种纤维增强复合材料与基体粘结性能新型试验装置(CN2840010Y),用于对纤维增强复合材料与基体的粘结性能进行试验。测试,这种装置可以实现自然对中加载。

昆明理工大学和云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院于2009年提出了一种碳纤维复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器(CN201497490U),该传感器利用碳纤维复合材料对光纤Bragg光栅进行封装保护。在外加应力的作用下,碳纤维复合材料发生形变,从而带动粘贴于碳纤维复合材料上的光纤Bragg光栅产生与应变相关的Bragg波长移位,光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接,将碳纤维复合材料所受应变转换为对光纤Bragg光栅峰值波长的调制。采用该传感器,在使用碳纤维增强复合材料对结构体进行加固的同时,能够通过预先埋入CFRP的光纤Bragg光栅对其进行长期监测,构成了一种集加固与监测于一体的智能检测结构,适用于混凝土结构加固和金属外壳保护及变形监测。

四。展望

目前,国内关于纤维增强复合材料加固混凝土结构技术的研究多集中在纤维增强混凝土加固装置和加固工艺上,随着该技术的应用愈加广泛,对与之相对应的加固效果测试装置和方法的研究也将更加深入,专利申请量无疑也将随之增加。尤其是能够即时反馈被加固混凝土结构应力应变状态的智能检测结构和方法的研究和开发必将广泛开展,相关申请也将随之增多,需要随时关注最新的研究动态。

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