高性能碳纤维复合材料用于建筑结构加固

　　即使是钢筋混凝土结构的大厦、跨洋大桥，也抵不住长年累月的自然侵蚀，这使得钢筋混凝土结构的加固维护变得十分重要。香港理工大学教授滕锦光，成功将形同布料的碳纤维复合材料用于加固建筑结构。他的研究成果已经写入包括美国、英国及内地在内的工程应用技术规范内，香港也将在近期引入其技术规程，以规范本港使用纤维增强复合材料加固老旧建筑。

 

　　理大可持续城市发展研究院院长滕锦光近日以“高性能纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土结构的力学性能及设计理论”项目获得本届国家自然科学奖二等奖。他表示，土木工程常用的结构材料主要有钢材和混凝土两种，内地大多数为钢筋混凝土结构。他指出，当钢筋混凝土结构刚刚应用的时候，很多人认为这一结构非常牢固，不会像木材等自然材料一样禁不起自然环境的侵蚀。“港珠澳大桥的使用说明书上写到它的使用年限是120年，但这只是该结构在建好的当下所能使用的年限，实际使用年限可能因应环境的恶劣程度而减少。”所以如何加固钢筋混凝土结构的老化建筑成了业界关注议题。

 

　　地震后汶川四成建筑使用

 

　　滕教授称，第二次世界大战后钢材的生产能力提高，不断应用于混凝土结构中，以保证楼宇的坚固安全。“但即使是钢铁，表面的钢材也会受环境影响而膨胀分裂，氧气进入后就会袘k内部的铁，铁生蚴嶆A膨胀，令表面的混凝土开裂。发达国家的很多建筑都是二战后的这种结构，面临结构老化的问题尤其严重。”他续指，2005年美国60多万座的桥樑中，两成需要加固修復，中国内地则有超过两成三的桥樑需要加固。

 

　　“选择什么材料加固，甚至取代钢筋结构，变得至关重要。”滕锦光表示，碳纤维这种具有高强度、轻质、耐腐蚀、可设计等特点的材料如何应用于土木工程结构设计，成为一个重要的研究方向。“用于建筑结构加固的碳纤维复合材料像一块布或是药膏一样，可贴于需要加固的混凝土结构，传统的加固方式可能要用100公斤的钢筋，但是用碳纤维复合材料可能只需要5公斤。”他续称，应用碳纤维复合材料的优势不仅在于重量减轻，更重要的是施工速度快，加固效果显著，防腐耐久性好。“汶川地震后，当地几乎四成的建筑都用了这种材料进行加固。”

 

　　不过，加固的过程并不是“贴块布料”那么简单。滕教授指出，碳纤维复合材料已经取代钢板应用于汽车及新一代波音飞机以达到轻身节能的目标，但是要想将碳纤维复合材料应用于建筑结构设计之中，就需要有一套系统科学的设计理论，确保建筑结构在材料增减的过程中，不会影响结构的稳固及安全。

 

        “在设计建筑的时候，要考虑现实中复杂多变的环境，做力学分析。比如地面沉降是否会影响建筑结构，要考虑加固材料是否能承受沉降带来的压力。”滕教授指，要想应用复合材料加固建筑，就要用到胶水，但是用什么样的胶水，贴在什么样的表面都需要研究。

 

　　纳国家标准英美广泛採用

 

　　“复合材料不可直接贴在钢筋表面，而是要贴在混凝土表面，这样的情况下如何预测混凝土脱落的风险。”他坦言，很多实验不能通过计算机预测，只能通过在结构实验室的实验预测。实验室里可以用一个长五米的樑柱做实验，但是现实中可能是二三十米长樑柱的受力承重能力。“这些尺寸效应及耐久性的问题都令复合材料应用于结构设计，较混凝土结构更为复杂。”

 

　　滕锦光的这一研究成果已经纳入国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》，并被英美等国家广泛採用。目前滕教授还获得香港创新科技基金资助，编写香港纤维增强复合材料加固混凝土结构技术指南。不同于内地的标准，香港的指南中增加防火设计部分。他透露，防火设计部分目前已经写完，希望今年暑假可以推广使用。

 

　　滕锦光表示，希望未来可以继续研究碳纤维复合材料的结构应用。“该领域还有很多尚未解决的问题。譬如，现在我们在研究将复合材料插入凹槽的加固方法，现时世界上还没有建立有关的设计理论。”他续指，凹槽的方法防火性能比较好，且适用于需要加固表面的建筑如桥樑等，可以避免因车辆经过对材料的磨损。“但凹槽要怎么设计、要放入多少复合材料才能保证坚固安全等等设计理论还没建立，所以也没有地方敢用这种方法加固。”