FRP(FiberReinforcedPolymer)复合材料在土木工程中的一个重要应用是加固和修复公路和铁路桥梁。在世界范围内,目前存在着大量的钢结构桥梁需要进行加固和修复。据几年前的统计,在美国超过三分之一的桥梁处于超负荷的工作状态,而其中43%以上为钢结构桥梁。欧洲也存在类似的情况,比如在英国的铁路系统中存在着大量历史悠久的钢结构桥梁(部分甚至超过100年)。我国也拥有大量的铁路和公路钢桥,其中不乏老龄钢桥(如南京长江大桥和杭州的钱塘江大桥)。由于腐蚀、缺乏良好的维护、振动疲劳损伤以及使用荷载的增加等原因,目前大量的桥梁钢结构处于“亚健康”的状态,其中部分甚至出现了各种各样的损伤。因此,怎样有效地加固和修复这些钢结构桥梁成为一个急需解决的问题。

FRP复合材料由于具有良好的力学、抗疲劳和抗腐蚀性能而成为一种加固和修复钢结构桥梁和建筑的理想材料。桥梁的使用功能和使用环境使得疲劳和腐蚀成为危害钢结构桥梁的重要因素,因此对于钢结构桥梁而言,采用FRP加固除了可以提高其刚度和在超载情况下的极限承载力外,还可以改善其抗疲劳和抗腐蚀能力。近年来,国内外对FRP在土木工程中的应用进行了大量的研究,但这些研究大部分着眼于FRP加固混凝土结构的性能。虽然近几年对FRP加固钢结构的相关研究增长很快,但仍非常有限。

土木工程中常用的FRP复合材料可分为纤维布和刚性FRP板。在加固过程中,这两种FRP材料均需由黏结剂粘贴到加固构件的表面。土木工程中常用黏结剂的养护时间通常较长,在常温下约需5~7天才能达到强度的90%。在一些特定的应用中,比如桥梁结构的加固和修复,如果在黏结剂的养护期间停止结构的使用,可能会招致很大的经济损失;但如果在这期间让结构保持正常的运行状态,将会对加固后结构的性能产生不利的影响。因此,有必要寻求一种合理的解决途径来减少这种经济损失。

英国的ACG(AdvancedCompositeGroupLtd.)公司最近开发了一种适合于土木工程结构加固的快速FRP加固技术。这种加固技术采用柔性的FRP预浸板(FRPprepreg,包括两种CFRP预浸板和一种GFRP预浸板)和薄膜胶(filmadhesive),可以在短短几个小时之内完成加固材料的养护。FRP预浸板和薄膜胶的养护分为两个阶段。在第一阶段,FRP预浸板和薄膜胶被制作成型,并经过初步的养护形成柔性薄层。这一阶段在工厂完成,成品具有热熔性的特点。由于在常温下FRP预浸板和薄膜胶均具有一定的黏性,因此为便于使用在出厂前它们的两个表面均已被附上一层保护薄膜。第二阶段的养护需在加固过程中完成。在这一阶段,先按照一定顺序将已去除保护薄膜的FRP预浸板以及薄膜胶层叠组合,并粘贴就位。然后,利用真空设备使加固部位产生约1个大气压的负压力,同时进行加温养护。养护时间的长短由相应的养护温度决定,对此ACG公司提供了三个选择:120℃养护1h;80℃养护4h;65℃养护16h。

所有的FRP预浸板和薄膜胶在常温下可放置30天,而长期保存的温度为-20℃。除了FRP复合材料固有的特点外,这一快速FRP加固技术还具有以下几个优点:

(1)养护时间短,可以大大减少加固过程对结构正常使用的干扰(比如选择在桥梁非繁忙的凌晨时段和工厂歇工后的时段进行养护)。

(2)施工方便。免去液态黏结剂的现场使用,实现无湿作业;加固初期不需要额外的装置对FRP材料进行固定。

(3)完成养护后的薄膜胶和FRP板的Tg(玻璃态转化温度)较高,对需在较高温度下工作的结构有利(比如夏天阳光直射下的钢桥)。

(4)与钢材表面黏结性能良好。在加温养护的前期FRP预浸板和薄膜胶会部分熔化,在真空负压力辅助下,可以使两者之间以及与钢材表面之间充分结合,减少使用过程中剥离破坏的可能性。

(5)相比于刚性FRP板,采用的材料均为柔性且裁剪方便,适用于加固具有不规则几何形状的构件。

(6)各层FRP预浸板之间可以直接叠合,不需要额外的黏结剂,为多层FRP的加固应用带来很大的便利。

(7)升温养护可以提高黏结剂的强度,特别是对其长期强度的提高非常明显。
如果将这种快速FRP加固技术应用到钢结构桥梁的加固和修复,就可以利用桥梁的非繁忙时段(比如凌晨)将桥梁关闭几个小时进行FRP预浸板和薄膜胶的养护,极大程度地减少因关闭桥梁而造成的不便和经济损失。