內嵌纖維增強復合材料加固技術研究進展

馬佳雯 張海霞

(沈陽建筑大學土木工程學院)

0 前言

建筑結構的正常使用需符合結構耐久性、結構安全性等要求。現階段，我國大量鋼筋混凝土建筑結構面臨達到服役年限、耐久性不足的問題，受到材料性能退化、超載及疲勞作用等的影響，結構抗力不斷退化[1]。如住宅、橋梁、工業建筑等，將此類建筑推倒重建會導致耗費大量人力物力，與之相反，對上述建筑結構進行加固修復既保證了建筑物的可靠性，同時兼具經濟與技術優勢，符合我國追求實現“雙碳”目標的國情。

纖維增強復合材料（FRP）是有多股連續纖維（如玻璃纖維）通過基體材料（如聚乙烯樹脂，環氧樹脂等）進行膠合，經模具擠壓并拉拔成型的[2]。FRP 材料在抗剪強度、熱穩定性以及彈性模量方面較弱于傳統鋼筋，但其抗拉強度高，自重輕，且電磁絕緣性能優良，是具有廣泛應用前景的環保型材料。

NSM-FRP 法加固鋼筋混凝土結構時，首先進行待加固結構的預先處理，在計劃內嵌部位的混凝土表面開槽，之后完成槽內清灰、去除雜質步驟，去除殘余雜質粘結力的影響，最后方可注入粘合劑并放入加固FRP 材料，待養護達到粘結劑固化最終強度則完成結構加固工作。

我國其他應用廣泛的結構加固法（如加大截面加固法、置換混凝土加固法等），在不同程度上存在施工不便、效率低、加固質量難以保證的各項缺點。自近年來，國內外研究人員提出內嵌（Near-Surface Mounted，簡稱NSM）加固技術，此加固技術逐漸成為研究熱點。NSM-FRP 結構加固對比傳統加固手段可有效減少混凝土表面處理的工作量，有利于提升加固工作效率，已應用在國外的結構加固領域，國內外學者在NSM-FRP 加固技術研究方面取得了一定研究成果。

本文對國內外代表性NSM-FRP 加固的研究成果進行總結，同時分析目前研究工作的不足之處，并展望了未來的研究思路和方向。

1 NSM-FRP加固結構力學性能

NSM-FRP 法增強鋼筋混凝土梁的承載能力是通過對梁底部、梁側內嵌FRP材料實現的，以下將從NSM-FRP法抗彎、抗剪加固兩方面進行研究成果的總結分析。

1.1 NSM-FRP鋼筋混凝土梁抗彎加固

孫平平等對NSM-FRP 板條鋼筋混凝土加固梁與未加固對比梁分別進行靜力加載試驗，研究得出：對鋼筋混凝土梁進行碳纖維（CFRP）板條加固可有效提高其抗彎性能，且加固后裂縫間距與最大裂縫寬度減小[3]。李荷美主要從損傷程度、加固開槽數量、內嵌材料種類幾方面，深入研究了NSM-FRP 材料加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能，得出FRP筋比CFRP板條與粘結劑的結合效果更好，此外，當損傷程度一定時，NSM-CFRP 筋加固梁比NSM-BFRP 筋加固梁極限荷載提高幅度大[4]。茍海剛等著重分析NSM-GFRP 筋加固混凝土梁進行靜載試驗時破壞模式和破壞特征，得到采用NSM-FRP 筋加固可顯著提高鋼筋混凝土梁的受彎承載力[5]。王存利對NSM-FRP加固梁及對比梁建立三維有限元模型并進行分析，發現調整CFRP 的嵌入長度可以改變加固梁的破壞模式[6]。何雙江對NSM-CFRP 筋抗彎加固的鋼筋混凝土梁進行了加載試驗，試驗結果得到：NSM-CFRP 筋加固使試驗梁撓度有所減小，CFRP筋可有效增加梁抵抗變形的能力[7]。

1.2 NSM-FRP鋼筋混凝土梁抗剪加固

鄧宇等對CFRP-PCPs復合筋NSM加固的混凝土梁進行試驗，得到CFRP-PCPs 復合筋對混凝土梁的抗剪性能有明顯的提高作用[8]。張海霞等對NSM-FRP筋剪切加固鋼筋混凝土梁進行加載試驗，試驗結果顯示加固試驗梁的整體剛度和受剪承載力較對比梁顯著提高，且裂縫開展得到延緩[9]。駱英等對比深T 梁在NSM 加固前后的抗剪承載力，得到深T 梁經兩種試驗方案NSM 法加固后使抗剪承載力提高了45%、65%[10]。張智梅等基于有限元軟件，構建NSM-CFRP板條的T型梁模型，通過分析，得到加固梁的極限承載力及撓度隨混凝土強度的降低大幅下降，剪跨比增加時，CFRP 板條利用率隨之提高[11]。Diab 等研制了一種人工非機械錨固裝置，對經NSMBFRP筋抗剪加固的鋼筋混凝土t型梁進行加載試驗，得出使用NSM-BFRP 筋加固可使t 型梁的抗剪承載力提高8.3%～46%，此外，使添加錨固的加固梁承載力提高39.6%～81.6%[12]。Sharbatdar 等考慮長度、是否錨固、加固傾角等參數分析NSM 法對剪切加固鋼筋混凝土梁的有效性，發現MMFRP（手工制作FRP）筋NSM法加固混凝土梁可顯著提高梁抗剪承載力，使梁裂縫寬度減小，抑制裂縫的蔓延[13]。

NSM-FRP 加固鋼筋混凝土結構的主要破壞模式包括：FRP 拉壞、截面粘結破壞、FRP 或內嵌部位混凝土劈裂破壞。綜上，鋼筋混凝土梁經NSM-FRP 抗彎加固后，梁的承載力可以得到顯著提升，撓度有所減小，同時，變化內嵌FRP 種類時，承載力提升幅度也隨之變化，調整FRP 的嵌入長度可以改變加固梁的破壞模式。鋼筋混凝土梁經NSM-FRP 抗剪加固后除承載力得到大幅提升外，加固梁裂縫開展得到延緩，撓度受混凝土強度影響顯著，且增加剪跨比可以增加內嵌FRP的利用率。

2 NSM-FRP加固結構耐久性

經NSM-FRP 法加固的混凝土結構不可避免長期受到惡劣服役環境的劣化影響，因此，在對加固結構力學性能研究的基礎上，需針對NSM-FRP 加固結構耐久進行探究。以下將分別從加固材料FRP 和FRP-混凝土粘結性能兩方面耐久性進行研究成果的總結分析。

2.1 FRP耐久性

鄧宗才等研究鹽、堿環境對BFRP筋、GFRP筋與CFRP筋抗壓強度的影響，得到三種筋材在堿溶液中強度損失較在鹽溶液中嚴重[14]。陸春華等將GFRP 筋在水、堿溶液和鹽溶液三種介質中浸泡一定齡期后對其進行拉伸試驗試驗。結果顯示，使GFRP 筋拉伸強度損失程度由大到小的介質依次為：堿溶液＞鹽溶液＞清水[15]。Wu 等研究了不同溫度條件下酸、堿、鹽溶液中BFRP 筋的殘余拉伸性能，得出BFRP 筋彈性模量幾乎不受堿溶液影響，其拉伸強度受堿性溶液影響較其他三種介質（鹽溶液、去離子水以及酸性溶液）影響嚴重[16]。Benmokrane 等研究了不同類別FRP 筋在模擬堿性混凝土環境中的耐久性，試驗結果表明：筋材拉伸強度和剪切強度受纖維、樹脂類型和浸潤劑的影響，CFRP 筋的抗拉強度和抗堿性最強，其次是BFRP筋和GFRP筋[17]。

2.2 FRP-混凝土粘結性能耐久性

付俊俊對多個經受不同凍融循環次數的NSM-CFRP板條的混凝土試塊進行單剪試驗，得到凍融循環作用對樹脂-混凝土的界面損傷率大于CFRP-樹脂界面[18]。鞏家宗等對氯鹽干濕循環作用下NSM-FRP 筋混凝土試塊進行拔出試驗，得到環氧樹脂試件的粘結承載力隨循環次數增加逐漸下降，高性能纖維增強水泥基復合材料（HPFRC）耐久性較環氧樹脂優越[19]。張海霞等對鹽腐蝕環境下NSM-FRP 筋加固混凝土試件進行單端拉拔試驗，得到鹽腐蝕環境會加劇黏結界面失效破壞；其他條件相同時，BFRP 筋試件黏結應力下降程度較GFRP 試件嚴重[20]。Azevedo 等利用NSM 技術，就高溫作用對混凝土和CFRP 板條之間粘結性能的影響進行了試驗和數值研究，得到溫度接近和超過粘合劑的玻璃化轉變溫度時，粘結強度隨溫度總體降低，在溫度高于粘合劑的溫度時會加劇此現象的發生[21]。

由上述研究成果可以看出，GFRP 筋以及BFRP 筋的拉伸強度均受堿性溶液影響程度較大，受其他三種介質（鹽溶液、去離子水以及酸性溶液）的影響程度弱于堿性溶液，CFRP 筋抗拉強度及抗堿性能均強于GFRP 筋以及BFRP 筋。此外，凍融循環作用對樹脂-混凝土界面以及FRP-樹脂界面的損傷率有所不同，同時，NSM 粘結劑的粘結強度受溫度影響較大。

3 結語

本文從NSM-FRP 加固結構力學性能以及耐久性兩方面介紹了NSM-FRP 加固技術的研究進展。基于上述的研究現狀，目前關于NSM-FRP 加固混凝土結構短期力學性能方面的研究已取得豐富成果；在NSM-FRP 加固技術的長期結構耐久性研究方面，雖已存在大量相關成果和報告，但大多基于人工實驗室加速劣化方法，研究試驗條件具有差異性，還沒有較完備的NSM-FRP 加固結構耐久性試驗規范。根據上述的研究成果，得到如下結論：

⑴對鋼筋混凝土結構進行NSM-FRP 抗彎、抗剪加固后，結構承載能力均得到顯著提升，裂縫寬度減小，且使用CFRP筋較BFRP筋承載力提升幅度大。

⑵FRP 筋在堿性腐蝕溶液中的強度損失程度較在鹽溶液與清水環境中大，CFRP 筋抗堿性能優于BFRP 筋和GFRP筋。

⑶FRP-混凝土粘結性能受溫度變化影響，當溫度接近和超過粘合劑的玻璃化轉變溫度時，粘結強度隨溫度升高總體呈降低趨勢。

⑷由于實際工程結構服役環境多樣、復雜，NSM-FRP加固結構的長期耐久性能仍需深入研究在多因素耦合環境作用下的結構強度損失規律，有待建立更完善的設計方法，用以滿足實際工程應用。