即使是鋼筋混凝土結構的大廈、跨洋大橋，也抵不住長年累月的自然侵蝕，這使得鋼筋混凝土結構的加固維護變得十分重要。香港理工大學教授滕錦光，成功將形同布料的碳纖維復合材料用于加固建筑結構。他的研究成果已經寫入包括美國、英國及內地在內的工程應用技術規(guī)范內，香港也將在近期引入其技術規(guī)程，以規(guī)范本港使用纖維增強復合材料加固老舊建筑。

 

　　理大可持續(xù)城市發(fā)展研究院院長滕錦光近日以“高性能纖維增強復合材料（FRP）加固混凝土結構的力學性能及設計理論”項目獲得本屆國家自然科學獎二等獎。他表示，土木工程常用的結構材料主要有鋼材和混凝土兩種，內地大多數為鋼筋混凝土結構。他指出，當鋼筋混凝土結構剛剛應用的時候，很多人認為這一結構非常牢固，不會像木材等自然材料一樣禁不起自然環(huán)境的侵蝕。“港珠澳大橋的使用說明書上寫到它的使用年限是120年，但這只是該結構在建好的當下所能使用的年限，實際使用年限可能因應環(huán)境的惡劣程度而減少。”所以如何加固鋼筋混凝土結構的老化建筑成了業(yè)界關注議題。

 

　　地震后汶川四成建筑使用

 

　　滕教授稱，第二次世界大戰(zhàn)后鋼材的生產能力提高，不斷應用于混凝土結構中，以保證樓宇的堅固安全。“但即使是鋼鐵，表面的鋼材也會受環(huán)境影響而膨脹分裂，氧氣進入后就會袘k內部的鐵，鐵生蚴嶆A膨脹，令表面的混凝土開裂。發(fā)達國家的很多建筑都是二戰(zhàn)后的這種結構，面臨結構老化的問題尤其嚴重。”他續(xù)指，2005年美國60多萬座的橋樑中，兩成需要加固修復，中國內地則有超過兩成三的橋樑需要加固。

 

　　“選擇什么材料加固，甚至取代鋼筋結構，變得至關重要。”滕錦光表示，碳纖維這種具有高強度、輕質、耐腐蝕、可設計等特點的材料如何應用于土木工程結構設計，成為一個重要的研究方向。“用于建筑結構加固的碳纖維復合材料像一塊布或是藥膏一樣，可貼于需要加固的混凝土結構，傳統(tǒng)的加固方式可能要用100公斤的鋼筋，但是用碳纖維復合材料可能只需要5公斤。”他續(xù)稱，應用碳纖維復合材料的優(yōu)勢不僅在于重量減輕，更重要的是施工速度快，加固效果顯著，防腐耐久性好。“汶川地震后，當地幾乎四成的建筑都用了這種材料進行加固。”

 

　　不過，加固的過程并不是“貼塊布料”那么簡單。滕教授指出，碳纖維復合材料已經取代鋼板應用于汽車及新一代波音飛機以達到輕身節(jié)能的目標，但是要想將碳纖維復合材料應用于建筑結構設計之中，就需要有一套系統(tǒng)科學的設計理論，確保建筑結構在材料增減的過程中，不會影響結構的穩(wěn)固及安全。

 

        “在設計建筑的時候，要考慮現實中復雜多變的環(huán)境，做力學分析。比如地面沉降是否會影響建筑結構，要考慮加固材料是否能承受沉降帶來的壓力。”滕教授指，要想應用復合材料加固建筑，就要用到膠水，但是用什么樣的膠水，貼在什么樣的表面都需要研究。

 

　　納國家標準英美廣泛採用

 

　　“復合材料不可直接貼在鋼筋表面，而是要貼在混凝土表面，這樣的情況下如何預測混凝土脫落的風險。”他坦言，很多實驗不能通過計算機預測，只能通過在結構實驗室的實驗預測。實驗室里可以用一個長五米的樑柱做實驗，但是現實中可能是二三十米長樑柱的受力承重能力。“這些尺寸效應及耐久性的問題都令復合材料應用于結構設計，較混凝土結構更為復雜。”

 

　　滕錦光的這一研究成果已經納入國家標準《纖維增強復合材料建設工程應用技術規(guī)范》，并被英美等國家廣泛採用。目前滕教授還獲得香港創(chuàng)新科技基金資助，編寫香港纖維增強復合材料加固混凝土結構技術指南。不同于內地的標準，香港的指南中增加防火設計部分。他透露，防火設計部分目前已經寫完，希望今年暑假可以推廣使用。

 

　　滕錦光表示，希望未來可以繼續(xù)研究碳纖維復合材料的結構應用。“該領域還有很多尚未解決的問題。譬如，現在我們在研究將復合材料插入凹槽的加固方法，現時世界上還沒有建立有關的設計理論。”他續(xù)指，凹槽的方法防火性能比較好，且適用于需要加固表面的建筑如橋樑等，可以避免因車輛經過對材料的磨損。“但凹槽要怎么設計、要放入多少復合材料才能保證堅固安全等等設計理論還沒建立，所以也沒有地方敢用這種方法加固。”