[發明專利]一種智能FRP-混凝土復合結構及其制造方法

有效

• 申請號: 201210380940.9
• 申請日: 2012-10-09
• 公開（公告）號: CN102900200A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 楊才千;焦友進;王紅濤;吳智深
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: E04C3/26
• 分類號: E04C3/26
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明是一種基于碳纖維分布式傳感的智能纖維增強樹脂復合材料（FRP）/混凝土復合結構及其在土木工程中的應用，屬于智能材料與結構、土木工程技術領域。

背景技術

纖維增強樹脂復合材料（FRP）具有良好的力學性能，其抗拉強度為普通碳鋼的5倍以上，而密度只有鋼材的1/3至1/5，且具有良好的耐腐蝕/耐久性，自開發以來有關其各項性能的研究和應用一直倍受關注。碳纖維增強復合材料（CFRP）是FRP復合材料中非常重要的一類，具有超過一般纖維材料的優越力學性能和物化性能，密度只有普通低碳鋼的四分之一，但拉伸強度卻有普通低碳鋼的10倍左右，具有比普通金屬材料更高的抗疲勞性能，熱膨脹系數幾乎為零，抗腐蝕性能優良。高強度碳纖維的彈性模量(230GPa)與普通低碳鋼的基本相當，但是高彈性模量碳纖維的彈性模量可達到普通鋼鐵的3倍以上。

此外，碳纖維還具有良好的導電性和壓阻效應。利用其電學性能可以制作智能傳感器，國內外對其進行了較多研究。如，對比文件1（Distributed?sensing?of?RC?beams?with?HCFRP?sensors,Proceedings?of?the?SPIE,Vol.5765,2005.5.3?1,P376-385）報道了用碳纖維傳感器監測混凝土梁的應變和混凝土開裂，由于混雜了高彈性模量的碳纖維，在約4,000με后高模量碳纖維開始出現斷裂，監測的精度和準確度下降明顯，此后的監測主要以定性監測為主。對比文件2（Self-monitoring,pseudo-ductile,hybrid?FRP?reinforcement?rods?for?concrete?applications,Composites?Science?and?Technology，61:815-23,2001）報道了一種可用于鋼筋混凝土結構的混雜FRP筋（含有碳纖維），混雜FRP不僅具有較好的自傳感功能，而且具有良好的“類延性；對比文件2對碳纖維未施加預應力，在小應變階段電阻變化率穩定性差（甚至出現電阻變化率隨應變增大而減小的現象）、電阻變化率小，且只含一對測量電極，因而不能進行定量化測量和損傷定位。

日本和美國在上世紀80年代末90年代初首先開展了纖維復合材料加固混凝土結構（橋梁、房屋、隧道、煙囪等）的增強加固技術研究，1995年前后該項加固技術被引入到我國，現已得到了比較完善的發展，在結構加固領域得到了廣泛的推廣和應用。對比文件3（ZL201020261312.5）報道了一種預應力FRP筋加固的混凝土結構件，預應力FRP筋布置在混凝土結構件本體上，在預應力筋周圍設置環氧樹脂覆蓋層，在環氧樹脂覆蓋層外設置聚合物混凝土增厚層，可防止FRP筋材過早發生剝離破壞，并保證FRP筋材能夠均勻有效的傳遞荷載；對比文件4（ZL200910232633.4）報道了一種預應力纖維布外粘結加固技術的錨固方法，采用分層錨固的方法降低錨固端部的預應力，解除錨固端部不必要的負擔。

除了用作結構加固修復外，由于FRP復合材料具有良好的抗腐蝕性能，因而國內外（特別是北歐、美國等冬季需要使用大量融雪鹽的國家和地區）正在積極開展用FRP復合材料代替傳統鋼材（如制作成FRP筋埋入混凝土）制作混凝土結構的研究，以避免混凝土中鋼材腐蝕所帶來的危害。同時，國內外研究者也開展了各種FRP-混凝土新型復合結構的研究，以提高結構的力學、防腐、耐久性等綜合性能。在FRP-混凝土復合結構中，高性能FRP與混凝土緊密結合一體，共同承擔荷載。它綜合了FRP比強度高、比模量大、耐腐蝕、耐疲勞和可設計強的優點和混凝土抗壓強度高、成本低等優勢，是一種結構合理、施工便利、造價經濟的新型結構形式。對比文獻5（ZL200610037891.3）報道了混雜纖維增強樹脂復合材料混凝土復合結構及其制造方法，用混雜FRP層將混凝土芯包裹起來，分為主筋用FRP包覆層和箍筋用FRP包覆層，并通過濕粘結的方法與混凝土芯粘結。通過FRP層，提高了復合結構的承載能力，提高了結構抗腐蝕能力和耐久性。然而，對比文獻5所采用的高彈模的纖維價格偏高，而且FRP層將作為模板，無法施加預應力和充分發揮FRP復合材料的高強度等優異特性，造成材料性能的一定浪費；該復合結構只采用濕法界面粘結，在二者長期工作中存在一定的剝離隱患。

FRP復合材料（包括CFRP）具有廣闊的潛在應用前景，但在實際應用中普遍存在以下方面問題：

1、力學性能方面：（1）FRP與混凝土的界面間粘結效果難以得到保證，受力較大時，易出現滑移；（2）當FRP用于土木工程結構時，施加預應力難，若無預應力則很難發揮其高抗拉強度的力學性能優勢，材料利用率低。