内嵌纤维增强复合材料加固技术研究进展

马佳雯 张海霞

(沈阳建筑大学土木工程学院)

0 前言

建筑结构的正常使用需符合结构耐久性、结构安全性等要求。现阶段，我国大量钢筋混凝土建筑结构面临达到服役年限、耐久性不足的问题，受到材料性能退化、超载及疲劳作用等的影响，结构抗力不断退化[1]。如住宅、桥梁、工业建筑等，将此类建筑推倒重建会导致耗费大量人力物力，与之相反，对上述建筑结构进行加固修复既保证了建筑物的可靠性，同时兼具经济与技术优势，符合我国追求实现“双碳”目标的国情。

纤维增强复合材料（FRP）是有多股连续纤维（如玻璃纤维）通过基体材料（如聚乙烯树脂，环氧树脂等）进行胶合，经模具挤压并拉拔成型的[2]。FRP 材料在抗剪强度、热稳定性以及弹性模量方面较弱于传统钢筋，但其抗拉强度高，自重轻，且电磁绝缘性能优良，是具有广泛应用前景的环保型材料。

NSM-FRP 法加固钢筋混凝土结构时，首先进行待加固结构的预先处理，在计划内嵌部位的混凝土表面开槽，之后完成槽内清灰、去除杂质步骤，去除残余杂质粘结力的影响，最后方可注入粘合剂并放入加固FRP 材料，待养护达到粘结剂固化最终强度则完成结构加固工作。

我国其他应用广泛的结构加固法（如加大截面加固法、置换混凝土加固法等），在不同程度上存在施工不便、效率低、加固质量难以保证的各项缺点。自近年来，国内外研究人员提出内嵌（Near-Surface Mounted，简称NSM）加固技术，此加固技术逐渐成为研究热点。NSM-FRP 结构加固对比传统加固手段可有效减少混凝土表面处理的工作量，有利于提升加固工作效率，已应用在国外的结构加固领域，国内外学者在NSM-FRP 加固技术研究方面取得了一定研究成果。

本文对国内外代表性NSM-FRP 加固的研究成果进行总结，同时分析目前研究工作的不足之处，并展望了未来的研究思路和方向。

1 NSM-FRP加固结构力学性能

NSM-FRP 法增强钢筋混凝土梁的承载能力是通过对梁底部、梁侧内嵌FRP材料实现的，以下将从NSM-FRP法抗弯、抗剪加固两方面进行研究成果的总结分析。

1.1 NSM-FRP钢筋混凝土梁抗弯加固

孙平平等对NSM-FRP 板条钢筋混凝土加固梁与未加固对比梁分别进行静力加载试验，研究得出：对钢筋混凝土梁进行碳纤维（CFRP）板条加固可有效提高其抗弯性能，且加固后裂缝间距与最大裂缝宽度减小[3]。李荷美主要从损伤程度、加固开槽数量、内嵌材料种类几方面，深入研究了NSM-FRP 材料加固钢筋混凝土梁的抗弯性能，得出FRP筋比CFRP板条与粘结剂的结合效果更好，此外，当损伤程度一定时，NSM-CFRP 筋加固梁比NSM-BFRP 筋加固梁极限荷载提高幅度大[4]。苟海刚等着重分析NSM-GFRP 筋加固混凝土梁进行静载试验时破坏模式和破坏特征，得到采用NSM-FRP 筋加固可显著提高钢筋混凝土梁的受弯承载力[5]。王存利对NSM-FRP加固梁及对比梁建立三维有限元模型并进行分析，发现调整CFRP 的嵌入长度可以改变加固梁的破坏模式[6]。何双江对NSM-CFRP 筋抗弯加固的钢筋混凝土梁进行了加载试验，试验结果得到：NSM-CFRP 筋加固使试验梁挠度有所减小，CFRP筋可有效增加梁抵抗变形的能力[7]。

1.2 NSM-FRP钢筋混凝土梁抗剪加固

邓宇等对CFRP-PCPs复合筋NSM加固的混凝土梁进行试验，得到CFRP-PCPs 复合筋对混凝土梁的抗剪性能有明显的提高作用[8]。张海霞等对NSM-FRP筋剪切加固钢筋混凝土梁进行加载试验，试验结果显示加固试验梁的整体刚度和受剪承载力较对比梁显著提高，且裂缝开展得到延缓[9]。骆英等对比深T 梁在NSM 加固前后的抗剪承载力，得到深T 梁经两种试验方案NSM 法加固后使抗剪承载力提高了45%、65%[10]。张智梅等基于有限元软件，构建NSM-CFRP板条的T型梁模型，通过分析，得到加固梁的极限承载力及挠度随混凝土强度的降低大幅下降，剪跨比增加时，CFRP 板条利用率随之提高[11]。Diab 等研制了一种人工非机械锚固装置，对经NSMBFRP筋抗剪加固的钢筋混凝土t型梁进行加载试验，得出使用NSM-BFRP 筋加固可使t 型梁的抗剪承载力提高8.3%～46%，此外，使添加锚固的加固梁承载力提高39.6%～81.6%[12]。Sharbatdar 等考虑长度、是否锚固、加固倾角等参数分析NSM 法对剪切加固钢筋混凝土梁的有效性，发现MMFRP（手工制作FRP）筋NSM法加固混凝土梁可显著提高梁抗剪承载力，使梁裂缝宽度减小，抑制裂缝的蔓延[13]。

NSM-FRP 加固钢筋混凝土结构的主要破坏模式包括：FRP 拉坏、截面粘结破坏、FRP 或内嵌部位混凝土劈裂破坏。综上，钢筋混凝土梁经NSM-FRP 抗弯加固后，梁的承载力可以得到显著提升，挠度有所减小，同时，变化内嵌FRP 种类时，承载力提升幅度也随之变化，调整FRP 的嵌入长度可以改变加固梁的破坏模式。钢筋混凝土梁经NSM-FRP 抗剪加固后除承载力得到大幅提升外，加固梁裂缝开展得到延缓，挠度受混凝土强度影响显著，且增加剪跨比可以增加内嵌FRP的利用率。

2 NSM-FRP加固结构耐久性

经NSM-FRP 法加固的混凝土结构不可避免长期受到恶劣服役环境的劣化影响，因此，在对加固结构力学性能研究的基础上，需针对NSM-FRP 加固结构耐久进行探究。以下将分别从加固材料FRP 和FRP-混凝土粘结性能两方面耐久性进行研究成果的总结分析。

2.1 FRP耐久性

邓宗才等研究盐、碱环境对BFRP筋、GFRP筋与CFRP筋抗压强度的影响，得到三种筋材在碱溶液中强度损失较在盐溶液中严重[14]。陆春华等将GFRP 筋在水、碱溶液和盐溶液三种介质中浸泡一定龄期后对其进行拉伸试验试验。结果显示，使GFRP 筋拉伸强度损失程度由大到小的介质依次为：碱溶液＞盐溶液＞清水[15]。Wu 等研究了不同温度条件下酸、碱、盐溶液中BFRP 筋的残余拉伸性能，得出BFRP 筋弹性模量几乎不受碱溶液影响，其拉伸强度受碱性溶液影响较其他三种介质（盐溶液、去离子水以及酸性溶液）影响严重[16]。Benmokrane 等研究了不同类别FRP 筋在模拟碱性混凝土环境中的耐久性，试验结果表明：筋材拉伸强度和剪切强度受纤维、树脂类型和浸润剂的影响，CFRP 筋的抗拉强度和抗碱性最强，其次是BFRP筋和GFRP筋[17]。

2.2 FRP-混凝土粘结性能耐久性

付俊俊对多个经受不同冻融循环次数的NSM-CFRP板条的混凝土试块进行单剪试验，得到冻融循环作用对树脂-混凝土的界面损伤率大于CFRP-树脂界面[18]。巩家宗等对氯盐干湿循环作用下NSM-FRP 筋混凝土试块进行拔出试验，得到环氧树脂试件的粘结承载力随循环次数增加逐渐下降，高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRC）耐久性较环氧树脂优越[19]。张海霞等对盐腐蚀环境下NSM-FRP 筋加固混凝土试件进行单端拉拔试验，得到盐腐蚀环境会加剧黏结界面失效破坏；其他条件相同时，BFRP 筋试件黏结应力下降程度较GFRP 试件严重[20]。Azevedo 等利用NSM 技术，就高温作用对混凝土和CFRP 板条之间粘结性能的影响进行了试验和数值研究，得到温度接近和超过粘合剂的玻璃化转变温度时，粘结强度随温度总体降低，在温度高于粘合剂的温度时会加剧此现象的发生[21]。

由上述研究成果可以看出，GFRP 筋以及BFRP 筋的拉伸强度均受碱性溶液影响程度较大，受其他三种介质（盐溶液、去离子水以及酸性溶液）的影响程度弱于碱性溶液，CFRP 筋抗拉强度及抗碱性能均强于GFRP 筋以及BFRP 筋。此外，冻融循环作用对树脂-混凝土界面以及FRP-树脂界面的损伤率有所不同，同时，NSM 粘结剂的粘结强度受温度影响较大。

3 结语

本文从NSM-FRP 加固结构力学性能以及耐久性两方面介绍了NSM-FRP 加固技术的研究进展。基于上述的研究现状，目前关于NSM-FRP 加固混凝土结构短期力学性能方面的研究已取得丰富成果；在NSM-FRP 加固技术的长期结构耐久性研究方面，虽已存在大量相关成果和报告，但大多基于人工实验室加速劣化方法，研究试验条件具有差异性，还没有较完备的NSM-FRP 加固结构耐久性试验规范。根据上述的研究成果，得到如下结论：

⑴对钢筋混凝土结构进行NSM-FRP 抗弯、抗剪加固后，结构承载能力均得到显著提升，裂缝宽度减小，且使用CFRP筋较BFRP筋承载力提升幅度大。

⑵FRP 筋在碱性腐蚀溶液中的强度损失程度较在盐溶液与清水环境中大，CFRP 筋抗碱性能优于BFRP 筋和GFRP筋。

⑶FRP-混凝土粘结性能受温度变化影响，当温度接近和超过粘合剂的玻璃化转变温度时，粘结强度随温度升高总体呈降低趋势。

⑷由于实际工程结构服役环境多样、复杂，NSM-FRP加固结构的长期耐久性能仍需深入研究在多因素耦合环境作用下的结构强度损失规律，有待建立更完善的设计方法，用以满足实际工程应用。