【专业讲堂】用于钢筋混凝土的预应力碳纤维增强聚合物

混凝土是一种有价值的建筑材料，但像所有东西一样，它不会永远存在。桥梁、道路和其他结构中的裂缝是危险的，但由于成本高、环境影响大和过程冗长，直接更换它们不是一种好的方案。相反，这些结构必须得到修复和加固。

曾经对结构修复通常会使用金属，但是金属容易因生锈和暴露于外等因素而损坏，从而限制了其应用。几十年来，混凝土结构一直使用碳纤维增强聚合物 (CFRP) 进行加固。

瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa 的研究人员在之前的工作基础上，开发了一种使用CFRP 变体进一步加固结构的新方法。

背景概述

混凝土是地球上最常用的人造材料；它是一种复合材料，由波特兰水泥、水和骨料（如沙子、砾石或岩石）组成。混合后，它会变成一种可使用的糊状物，并在干燥时变硬。它价格便宜，使用寿命长，并且几乎不需要维护，但它的强度重量比很低，随着时间的推移，可能会出现裂缝。

长期以来，CFRP一直被用于修复难以承受负载的支撑结构。例如，1960 年代中期至 1980 年代建造的桥梁在设计时考虑的交通量要比如今少得多。

连接到结构下侧的扁平薄板可以抵消不断增加的荷载。薄板是一种结构元素，结合在双向跨越网格系统中；这样的模式允许由短的、几何上简单的组件构成大型复杂结构。这些网格使修复而不是替换结构成为可能。

方法改进

EBROG 是 2018 年首次用于翻新 Küssnacht 一座桥梁的方法。例如，在混凝土梁上纵向铣削窄槽，然后将钢筋（薄板）从外部粘合到该区域。通道用于增加传力的表面积，并更深地渗透到混凝土中。

Empa 研究人员正在通过测试预应力 CFRP 层压板来开发这种方法，该层压板可主动加固混凝土梁。在拉伸应力下，它们与环氧树脂粘合。一旦粘结硬化，承受巨大拉力的末端就会松弛。

Empa 团队专门为新方法设计了由 CFRP 制成的 U 形箍筋（图中左侧）。颜色表示材料上的负载：黄色表示高负载；红色最强。

为了防止末端撕裂，它们必须牢固固定，通常用铝板粘合并用销钉固定。Empa 团队已将其替换为 U 形 CFRP 箍筋，从而可以更精确地定义力的传递。由于它不含金属，因此不易受到元素的影响。

由单一材料制成的解决方案总是优于两种性能不同的材料，特别是对于锚固，我们在实验室进行了大量测试。

Christoph Czaderski，Empa 工程结构实验室研究主管介绍

将技术推向市场

实验室测试表明潜力巨大。与经典加固方法相比，预应力和 CFRP 箍筋使混凝土板的承载能力提高了77%。即使没有预应力，仍有 34% 的差异。但是，这还需要进一步测试；将在跨度为 6 m 的混凝土板上进行大规模评估，以准确了解该方法在实际修复项目中的效果，然后才能将该技术推向市场。

行业合作伙伴S&P Clever Reinforcement Company已经在实践方面开展工作，开发用于创建 U 形箍筋的工业工艺，该箍筋以前是由碳型材手工制成的。用于对薄片施加预应力的设备也必须重新设计。

该技术可应用于任何需要维修的结构，从桥梁到住宅装修，节省成本并减少其他过程造成的二氧化碳排放。对于建筑业主来说，它也更容易、更快且价格合理。

我绝对看到了这方面的市场，通过预应力可真正发挥材料的全部潜力。

Martin Hüppi，S&P Clever Reinforcement Company 项目负责人介绍