混凝土結構加固工程中FRP與ECC的加固系統構建

摘 "要：該文旨在探討混凝土結構加固工程中纖維增強聚合物（FRP）與工程水泥基復合材料（ECC）技術的系統構建。通過綜合分析FRP與ECC的材料特性、加固機理及應用現狀，該文提出一種新型的加固系統構建方法。該方法結合FRP的高強度、輕質及ECC的高韌性、抗裂性能，旨在提高混凝土結構的承載能力。研究結果表明，該系統在提高結構性能、延長使用壽命及降低維護成本方面具有顯著優勢，該文的研究成果為混凝土結構加固工程提供新的技術路徑。

關鍵詞：混凝土結構；加固工程；FRP；ECC技術；系統構建

中圖分類號：TV331 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0165-04

Abstract： This article aims to explore the systematic construction of fiber-reinforced polymer （FRP） and engineering cement-based composite material （ECC） technology in concrete structure reinforcement engineering. By comprehensively analyzing the material properties， reinforcement mechanisms， and application status of FRP and ECC， this paper proposes a new method for constructing reinforcement systems which combines the high strength and lightweight of FRP with the high toughness and crack resistance of ECC， aiming to improve the bearing capacity of concrete structures. The research results indicate that the system has significant advantages in improving structural performance， extending service life， and reducing maintenance costs. The research findings of this paper provide a new technological path for concrete structure reinforcement engineering.

Keywords： concrete structure; reinforcement engineering; FRP; ECC technology; system construction

隨著城市化進程不斷深入，混凝土結構在建筑工程中的應用日益廣泛，由于長期使用、自然環境侵蝕及設計施工缺陷等因素，許多混凝土結構出現不同程度的損傷和老化，嚴重影響了其承載能力。因此，混凝土結構的加固與修復成為工程領域的重要研究課題。傳統加固方法主要包括粘鋼加固、外包鋼加固、碳纖維布加固等，這些方法雖然在一定程度上提高了結構的承載能力，但存在施工復雜、成本高昂及對原結構損傷較大等問題。近年來，纖維增強聚合物（FRP）和工程水泥基復合材料（ECC）作為一種新型加固材料，因其優異的力學性能和施工便捷性，逐漸受到工程界的關注。FRP材料具有高強度、輕質、耐腐蝕等優點，廣泛應用于橋梁、隧道、高層建筑的加固工程中，但FRP材料脆性較大，容易在加固過程中產生應力集中，導致加固效果不理想。ECC材料則具有高韌性、抗裂性能好等特點，能有效改善混凝土結構的裂縫問題，但其強度相對較低，難以單獨承擔較大的荷載。基于上述背景，本文提出了一種結合FRP與ECC的混凝土結構加固系統構建方法。通過綜合利用2種材料的優點，本文旨在構建一種高效、經濟、耐久的加固系統，以提高混凝土結構的承載能力。本文的研究成果將為混凝土結構加固工程提供新的技術路徑和理論支持，具有重要的工程應用價值[1]。

1 "FRP與ECC的材料特性

1.1 "FRP材料特性

纖維增強聚合物（FRP）是一種由高強度纖維（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）與聚合物基體復合而成的材料。FRP材料強度遠高于傳統鋼筋混凝土中的鋼筋，其抗拉強度可達2 000～4 000 MPa，而密度僅為鋼材的1/4至1/5，使得FRP在加固工程中能提供更高的承載能力，同時減輕結構自重。FRP材料對酸、堿、鹽等化學物質具有良好的耐腐蝕性，能在惡劣環境中長期使用而不發生腐蝕，延長結構的使用壽命。FRP材料在反復荷載作用下表現出優異的抗疲勞性能，適用于長期承受動態荷載的結構加固。FRP材料可以預制成板材、布材等形式，施工時只需粘貼在結構表面，操作簡便，對原結構損傷小（表1）。

1.2 "ECC材料特性

工程水泥基復合材料（ECC）是具有特殊微觀結構的復合材料，通過在水泥基體中加入纖維（如聚乙烯纖維、聚丙烯纖維等）和特殊添加劑，使其具有多樣化特性。ECC材料在拉伸狀態下能夠產生多重裂紋，表現出極高的韌性，其拉伸應變可達3%～7%，遠高于普通混凝土的0.1%，這種高韌性使得ECC在加固工程中能有效吸收應力，提高結構的抗震性能。ECC材料在微觀尺度上具有纖維增強效應，能有效抑制裂紋擴展，減少宏觀裂縫的產生，從而提高結構的使用壽命。ECC材料與混凝土基體具有良好的黏結性能，能與原結構形成整體，提高加固效果[2]。

1.3 "FRP與ECC的協同作用

在混凝土結構加固工程中，FRP與ECC的協同作用能充分發揮兩者的優勢，彌補各自的不足，FRP材料的高強度和輕質特性有效提高結構的承載能力，而ECC材料的高韌性和抗裂性能則能增強結構的抗震性能。通過合理的材料組合和施工工藝，FRP與ECC的協同加固技術能在提高結構安全性的同時，減少對原結構的損傷，具有顯著的技術和經濟效益。

2 "FRP與ECC的加固機理

2.1 "FRP的加固機理

纖維增強聚合物（FRP）在混凝土結構加固中的應用，主要通過其高強度和高模量的特性，提升結構的承載能力和抗震性能。FRP材料通過黏結劑（如環氧樹脂）與混凝土表面緊密黏結，形成一個整體。在加固過程中，FRP材料能有效地將外力傳遞到混凝土結構中，分擔原有結構的應力，使得FRP材料能顯著提高結構的承載能力，特別是在受拉區域，FRP材料的高強度特性能有效抵抗拉應力，防止裂縫的擴展。同時，FRP材料在混凝土結構加固中還表現出顯著的約束效應，通過包裹在混凝土表面，FRP材料能對混凝土施加徑向約束力，限制其橫向變形，提高混凝土的抗壓強度，有效抑制裂縫的產生和擴展。FRP材料在抗剪加固中也表現出優異的性能，在混凝土結構的關鍵部位粘貼FRP片材，提高結構的抗剪強度，使其能夠承受較大的剪切應力，從而防止剪切破壞的發生（圖1）。特別是在橋梁、隧道等結構中，FRP材料的抗剪加固能夠顯著提高結構的抗震性能和安全性[3]。

圖1 "FRP-混凝土界面黏結滑移關系

2.2 "ECC的加固機理

①多重微裂紋機制。在混凝土結構加固中，ECC材料能通過多重微裂紋機制吸收和分散外力，顯著提高結構的抗裂性能，與普通混凝土相比，ECC材料在受拉狀態下能承受更大的變形，避免其發生脆性破壞，有效防止裂縫擴展，從而出現結構失效問題。②自愈合能力。ECC材料具有獨特的自愈合能力，能在微裂紋產生后通過材料內部的特殊成分（如聚合物纖維、自愈合劑等）進行自我修復，讓ECC材料在加固過程中能夠長期保持其力學性能，減少維護和修復的頻率。特別是在長期使用和惡劣環境中，ECC材料自愈合能力顯著提高結構的耐久性和安全性。③抗壓強度提升。ECC材料在抗壓強度方面也表現出優異的性能，通過在普通水泥基體中加入纖維和特殊添加劑，提高其抗壓強度。在混凝土結構加固中，ECC材料可有效提高結構的抗壓性能，特別是在受壓區域，ECC材料高抗壓強度增強結構的承載能力[4]。

3 "FRP與ECC技術在混凝土結構加固工程中的應用

3.1 "FEP加固混凝土工程應用

纖維增強聚合物（FRP）作為一種先進的復合材料，在混凝土結構加固工程中展現出顯著的優勢。FRP材料主要由高強度纖維（如碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維）與聚合物基體復合而成，具有輕質、高強度、耐腐蝕和施工便捷等特點，這些特性使得FRP在混凝土結構加固中具有廣泛的應用前景。碳纖維增強聚合物（CFRP）因其極高的拉伸強度和彈性模量，常被用于加固受彎、受剪和受拉構件。例如，在橋梁加固工程中，通過粘貼CFRP板材或布料，有效提高橋梁的抗彎和抗剪能力，從而延長橋梁的使用壽命。玻璃纖維增強聚合物（GFRP）則因其良好的耐腐蝕性和較低的成本，常用于海洋環境或化學腐蝕環境下的混凝土結構加固。

與傳統的鋼筋混凝土加固方法相比，FRP材料自重較輕，不會顯著增加結構的自重負擔，從而避免因加固出現結構二次損傷。且FRP材料施工便捷性也大幅度提高加固工程施工效率。FRP板材利用粘貼、包裹、纏繞等方式進行快速安裝，有效減少施工時間和成本。在實際工程應用中，FRP加固技術已成功應用于多種類型的混凝土結構，如在高層建筑的梁柱加固中，粘貼CFRP板材，有效提高梁柱的抗震性能和承載能力；在隧道和地下工程中，FRP材料因其良好的耐久性和耐腐蝕性，常被用于加固受地下水侵蝕的混凝土結構；FRP材料還廣泛應用于歷史建筑的修復和加固工程中，通過非破壞性的加固方式，保留建筑的歷史風貌[5]。

3.2 "ECC加固混凝土工程應用

工程水泥基復合材料（ECC）是一種具有高延展性和微觀裂縫自愈合能力的特殊混凝土材料，其在混凝土結構加固工程中的應用同樣展現出獨特的優勢。ECC材料通過在混凝土中添加高強度纖維（如聚乙烯纖維、鋼纖維等）和特殊添加劑，使其在拉伸狀態下表現出顯著的應變硬化特性，從而大幅提升了混凝土的抗裂性能和延展性。傳統的混凝土材料在受到拉伸應力時，往往容易出現脆性斷裂，而ECC材料則能夠在拉伸狀態下表現出高達5%的應變硬化特性，意味著其在受力過程中能夠形成大量的微觀裂縫，并通過纖維的橋接作用分散應力，從而避免宏觀裂縫的擴展，使得ECC材料在加固受拉構件（如梁、板等）時具有顯著的優勢。

ECC材料中的特殊添加劑能夠在微觀裂縫形成后，通過化學反應或物理作用實現裂縫的自愈合，從而阻止水分和有害物質的侵入，延長結構的使用壽命，這種自愈合能力讓ECC材料在極端氣候條件下具有顯著的耐久性優勢。在實際工程應用中，ECC加固技術已成功應用于多種類型的混凝土結構。例如，在橋梁加固工程中，在橋面板和橋墩表面噴涂ECC材料，有效提高橋梁的抗裂性能；在地下工程中，ECC材料因其良好的抗滲性和自愈合能力，常被用于加固受地下水侵蝕的混凝土結構[6]。

3.3 "FRP-ECC復合材料加固混凝土工程應用

FRP-ECC復合材料作為一種新型加固材料，結合FRP高強度和ECC優異韌性，為混凝土結構加固工程提供高效的解決方案。FRP材料主要由纖維和樹脂基體組成，常見纖維類型包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）、芳綸纖維（AFRP），這些纖維具有極高的抗拉強度和彈性模量，能夠顯著提升混凝土結構的承載能力和抗震性能。而ECC材料則是具有高延展性和微觀自愈能力的復合材料，其獨特的微觀結構使其在受力時能夠產生大量細小裂紋，從而分散應力，提高結構的抗裂性能和耐久性。在橋梁、樓板等需要承受較大彎矩的結構中，FRP-ECC復合材料能夠有效提高結構的抗彎承載力，在混凝土表面粘貼FRP片材，并在其上覆蓋ECC層，形成整體性強的加固層，顯著增強結構的抗彎性能。在梁、柱等需要承受較大剪力的結構中，FRP-ECC復合材料同樣表現出優異的抗剪性能，在混凝土表面粘貼FRP網格，并在網格上涂抹ECC材料，形成均勻分布的抗剪加固層，有效提高結構的抗剪承載力。例如，某高層建筑樓板加固。該高層建筑的樓板由于設計缺陷和使用年限較長，出現了明顯的撓度和裂縫，采用FRP-ECC復合材料進行加固，在樓板底部粘貼GFRP網格，然后在網格上涂抹ECC材料（圖2）。加固后，樓板的抗彎承載力提高20%，撓度減少15%，且裂縫得到了有效修復，建筑的整體結構性能得到了顯著提升，滿足了新的使用要求[7]。

在地震多發地區的建筑結構中，FRP-ECC復合材料顯著提高了結構的抗震性能，ECC材料的高延展性和微觀自愈能力使其在地震作用下能夠吸收能量，減少結構損傷。而FRP材料的高強度則能夠確保結構在地震后的穩定性。例如，在某高速公路橋梁加固，該橋梁由于長期超負荷運行和自然環境侵蝕，出現嚴重的裂縫和鋼筋銹蝕問題，采用FRP-ECC復合材料進行加固，在橋梁底部和側面粘貼CFRP片材，然后在表面涂抹ECC材料。加固后，橋梁的抗彎承載力提高了30%，抗剪承載力提高了25%，有效控制工程裂縫。經過長期監測，橋梁的耐久性和安全性顯著提升[8]。

圖2 "混凝土結構加固

4 "結束語

綜上所述，隨著城市化進程的不斷推進，混凝土結構在建筑工程中的應用日益廣泛，但其長期使用、自然環境侵蝕及設計施工缺陷等因素導致結構損傷和老化問題日益突出。傳統的加固方法雖然在一定程度上提高了結構的承載能力，但存在施工復雜、成本高昂及對原結構損傷較大等問題。近年來，纖維增強聚合物（FRP）和工程水泥基復合材料（ECC）作為新型加固材料，因其優異的力學性能和施工便捷性，逐漸受到工程界的關注。本文提出了一種結合FRP與ECC的混凝土結構加固系統構建方法，通過綜合利用2種材料的優點，構建了一種高效、經濟、耐久的加固系統，以提高混凝土結構的承載能力。未來，隨著材料科學和工程技術的不斷發展，FRP與ECC材料在混凝土結構加固中的應用將更加廣泛，為解決混凝土結構老化和損傷問題提供更加有效的解決方案。

參考文獻：

[1] 潘毅，任宇，郭瑞，等.FRP網格-ECC復合層加固混凝土界面定量化處理及黏結性能試驗研究[J].建筑結構學報，2024，45（5）：207-217.

[2] 顏宇鴻，盧亦焱，李杉，等.碳纖維編織網增強ECC加固鋼管混凝土短柱壓彎承載力計算方法[J].建筑結構學報，2023，44（10）：178-187.

[3] 歐陽建新，郭榮鑫，萬夫雄，等.玄武巖復合材料筋增強ECC受拉性能及裂縫控制機理[J].硅酸鹽通報，2022，41（8）：2684-2695.

[4] 朱忠鋒.FRP網格/ECC約束混凝土短柱軸向受力性能試驗研究[D].南京：東南大學，2020.

[5] 張開權.ECC-FRP復合加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗研究[D].成都：西南交通大學，2022.

[6] 蘇艷麗.CFRP片材——ECC復合加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究[D].鄭州：鄭州大學，2022.

[7] 徐佳奇.高性能水泥基復合材料-預應力CFRP格柵復合加固混凝土梁受彎性能研究[D].杭州：浙江大學，2021.

[8] 董朋杰.氯鹽侵蝕下TRC約束海水海砂混凝土與BFRP筋粘結性能研究[D].徐州：中國礦業大學，2022.