高性能碳纖維復(fù)合材料用于建筑結(jié)構(gòu)加固

　　即使是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大廈、跨洋大橋，也抵不住長年累月的自然侵蝕，這使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固維護變得十分重要。香港理工大學(xué)教授滕錦光，成功將形同布料的碳纖維復(fù)合材料用于加固建筑結(jié)構(gòu)。他的研究成果已經(jīng)寫入包括美國、英國及內(nèi)地在內(nèi)的工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范內(nèi)，香港也將在近期引入其技術(shù)規(guī)程，以規(guī)范本港使用纖維增強復(fù)合材料加固老舊建筑。

 

　　理大可持續(xù)城市發(fā)展研究院院長滕錦光近日以“高性能纖維增強復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及設(shè)計理論”項目獲得本屆國家自然科學(xué)獎二等獎。他表示，土木工程常用的結(jié)構(gòu)材料主要有鋼材和混凝土兩種，內(nèi)地大多數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。他指出，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛剛應(yīng)用的時候，很多人認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)非常牢固，不會像木材等自然材料一樣禁不起自然環(huán)境的侵蝕。“港珠澳大橋的使用說明書上寫到它的使用年限是120年，但這只是該結(jié)構(gòu)在建好的當(dāng)下所能使用的年限，實際使用年限可能因應(yīng)環(huán)境的惡劣程度而減少。”所以如何加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的老化建筑成了業(yè)界關(guān)注議題。

 

　　地震后汶川四成建筑使用

 

　　滕教授稱，第二次世界大戰(zhàn)后鋼材的生產(chǎn)能力提高，不斷應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，以保證樓宇的堅固安全。“但即使是鋼鐵，表面的鋼材也會受環(huán)境影響而膨脹分裂，氧氣進入后就會袘k內(nèi)部的鐵，鐵生蚴嶆A膨脹，令表面的混凝土開裂。發(fā)達國家的很多建筑都是二戰(zhàn)后的這種結(jié)構(gòu)，面臨結(jié)構(gòu)老化的問題尤其嚴(yán)重。”他續(xù)指，2005年美國60多萬座的橋樑中，兩成需要加固修復(fù)，中國內(nèi)地則有超過兩成三的橋樑需要加固。

 

　　“選擇什么材料加固，甚至取代鋼筋結(jié)構(gòu)，變得至關(guān)重要。”滕錦光表示，碳纖維這種具有高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕、可設(shè)計等特點的材料如何應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，成為一個重要的研究方向。“用于建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維復(fù)合材料像一塊布或是藥膏一樣，可貼于需要加固的混凝土結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加固方式可能要用100公斤的鋼筋，但是用碳纖維復(fù)合材料可能只需要5公斤。”他續(xù)稱，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢不僅在于重量減輕，更重要的是施工速度快，加固效果顯著，防腐耐久性好。“汶川地震后，當(dāng)?shù)貛缀跛某傻慕ㄖ加昧诉@種材料進行加固。”

 

　　不過，加固的過程并不是“貼塊布料”那么簡單。滕教授指出，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)取代鋼板應(yīng)用于汽車及新一代波音飛機以達到輕身節(jié)能的目標(biāo)，但是要想將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，就需要有一套系統(tǒng)科學(xué)的設(shè)計理論，確保建筑結(jié)構(gòu)在材料增減的過程中，不會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固及安全。

 

        “在設(shè)計建筑的時候，要考慮現(xiàn)實中復(fù)雜多變的環(huán)境，做力學(xué)分析。比如地面沉降是否會影響建筑結(jié)構(gòu)，要考慮加固材料是否能承受沉降帶來的壓力。”滕教授指，要想應(yīng)用復(fù)合材料加固建筑，就要用到膠水，但是用什么樣的膠水，貼在什么樣的表面都需要研究。

 

　　納國家標(biāo)準(zhǔn)英美廣泛採用

 

　　“復(fù)合材料不可直接貼在鋼筋表面，而是要貼在混凝土表面，這樣的情況下如何預(yù)測混凝土脫落的風(fēng)險。”他坦言，很多實驗不能通過計算機預(yù)測，只能通過在結(jié)構(gòu)實驗室的實驗預(yù)測。實驗室里可以用一個長五米的樑柱做實驗，但是現(xiàn)實中可能是二三十米長樑柱的受力承重能力。“這些尺寸效應(yīng)及耐久性的問題都令復(fù)合材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，較混凝土結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。”

 

　　滕錦光的這一研究成果已經(jīng)納入國家標(biāo)準(zhǔn)《纖維增強復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，并被英美等國家廣泛採用。目前滕教授還獲得香港創(chuàng)新科技基金資助，編寫香港纖維增強復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)指南。不同于內(nèi)地的標(biāo)準(zhǔn)，香港的指南中增加防火設(shè)計部分。他透露，防火設(shè)計部分目前已經(jīng)寫完，希望今年暑假可以推廣使用。

 

　　滕錦光表示，希望未來可以繼續(xù)研究碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。“該領(lǐng)域還有很多尚未解決的問題。譬如，現(xiàn)在我們在研究將復(fù)合材料插入凹槽的加固方法，現(xiàn)時世界上還沒有建立有關(guān)的設(shè)計理論。”他續(xù)指，凹槽的方法防火性能比較好，且適用于需要加固表面的建筑如橋樑等，可以避免因車輛經(jīng)過對材料的磨損。“但凹槽要怎么設(shè)計、要放入多少復(fù)合材料才能保證堅固安全等等設(shè)計理論還沒建立，所以也沒有地方敢用這種方法加固。”