FRP混凝土研究及应用现状

FRP混凝土研究及应用现状摘要：FRP复合材料（FiberReinforcedPlastic，FRP），具有质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀性强、材料结合力强、透磁波性能强等优点，近年来在国内外的混凝土结构加固及工程改造中得到广泛应用。并作为一种新型高性能结构材料受到结构工程界的广泛关注，国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用。本文主要介绍了FRP混凝土的一些物理性能，分析其优点与不足，同时对其应用现状及未来展望作了相关阐述。关键词：FRP混凝土结构加固耐久性延性应用现状0引言FRP是FiberReinforcedPlastics，即纤维增强塑料的缩写，它是一种常见的复合材料，在FRP中，纤维是增强塑料，主要作用是承受荷载，常见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶等；塑料是基体材料，有连结、保护纤维以及传递荷载的作用，常见的有不饱和聚酯树脂，环氧树脂等.近年来，FRP材料越来越多的应用于土木工程，主要原因是：由于环境因素和各种外力作用的影响，钢筋混凝土等土木结构受到极大的损伤，其中钢筋出现锈蚀，从而大大降低了结构的承载能力，而维修的费用也在日渐增加，这就迫切要求有一种更经济实用的方法来解决；FRP材料具有很好的耐腐蚀性，还有比强度高、耐疲劳性好等优点，并且FRP材料具有可设计性，设计者可通过选择合适的纤维和树脂、调整各组份材料的比例含量、确定纤维的铺设角度以及选择恰当的成品加工方法来满足使用者对材料的刚度、强度等方面的要求，这样FRP混凝土结构就应运而生了[1]。1FRP材料1.1FRP材料概述纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer，简称FRP）是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。近年来，FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木工程领域得到应用。目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维carbonfiber）、玻璃纤维（glassfiber）和芳纶纤维（aramidfiber）增强的树脂基体，分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。近年来，尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后，FRP材料（主要是片材）加固补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用。随着这项技术在世界各地的推广和发展，FRP材料的轻质高强、耐腐蚀、施工性能好等优越性能被工程界逐渐认可，开始以各种形式应用于各类土木与建筑结构工程中。目前，FRP材料在工程结构中的应用和研究十分活跃，已逐渐形成一个新的学科研究热点[2]。1.2FRP材料的特点FRP具有以下优点：（1）有很高的比强度，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重。在桥梁工程中，使用FRP结构或FRP组合结构作为上部结构可使桥梁的极限跨度大大增加。理论上，用传统结构材料桥梁的极限跨度在5000m以内，而上部结构使用FRP结构可达8000m以上[3]。（2）有良好耐腐蚀性，FRP可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用，这是传统结构材料难以比拟的。在美国每年因钢材腐蚀造成的工程结构损失高达700亿美元，近1/6的桥梁因钢筋锈蚀而严重损坏；加拿大用于修复因老化损坏的工程结构的费用达490亿加元；我国目前因钢材锈蚀而造成的损失也在逐年增加。而在化工建筑、盐渍地区的地下工程、海洋工程和水下工程中，FRP材料耐腐蚀的优点已经得到实际工程的证明。一些发达国家已经开始在寒冷地区和近海地区的桥梁、建筑中较大规模地采用FRP结构或FRP配筋混凝土结构以抵抗除冰盐和空气中盐分的腐蚀，极大地降低了结构的维护费用，延长了结构的使用寿命。（3）具有很好的可设计性。FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。而且FRP产品成型方便，形状可灵活设计[4]。（4）具有很好的弹性性能，应力-应变曲线接近线弹性，在发生较大变形后还能恢复原状，塑性变形小，有利于结构偶然超载后的变形恢复。（5）FRP产品适合于在工厂生产、运送到工地、现场安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。（6）其它优势，包括透电磁波、绝缘、隔热、热胀系数小等，使得FRP在一些特殊场合能够发挥难以取代的作用，如雷达设施、地磁观测站、医疗核磁共振设备结构。2FRP混凝土的性能2.1FRP混凝土结构的耐久性常温下抗腐蚀是FRP筋相对钢筋的最大优点之一，而在更恶劣的环境条件下，FRP筋混凝土结构耐久性的研究是利用纤维筋取代钢筋所需研究的一个重要问题之一。为了研究FRP筋混凝土结构的耐久性，美国的Hamid.Saadatrnanesh等人研究了直径为10mm的AFRP筋在不同温度下的空气、碱性、酸性和盐溶液中的应力松弛，常温空气下的疲劳和常温下的空气、碱性、酸性和盐溶液中的徐变性能[5-7]。由试验结果可知：1）应力松弛（0年～50年）：a、AFRP筋的应力松弛随温度升高而增大；b、AFRP筋在空气中的应力松弛要比在溶液中的小，在酸溶液中的应力松弛最大；C、纤维筋的应力松弛随最初的预应力水平的增大而增大。2）疲劳（荷载循环300万次）：a、应力范围在58～116MPa，最小应力小于纤维筋极限抗拉强度的50％时，AFRP筋表现出良好的抗疲劳性能；b、随应力范围和最小应力的增大，AFRP筋的抗疲劳性能降低[8]。3）徐变（在大小为纤维筋短期极限抗拉应力的40％的持续荷载作用下）：AFRP筋的徐变性能在酸性溶液、碱性溶液和空气中依次提高。本试验表明AFRP筋在酸性环境下耐久性差，但好于钢筋的耐久性[9]。我们需要进一步研究纤维筋更长时期和直接与化学溶液接触的应力松弛、疲劳和徐变特性。美国的Rajah.Sen等人对预先开裂（模拟实际情况）的AFRP筋预应力混凝土梁暴露在干湿（潮汐）和热冷循环条件下达33个月的耐久性进行了研究[10]。试验表明：1）AFRP筋与混凝土的粘结在干湿和热冷循环条件下非常脆弱。2）AH筋预应力混凝土梁的极限承载力基本随暴露时间的增长而逐渐减小，减小幅度可达55.3%。3）证明了由于芳纶纤维吸收水分而产生膨胀，引起的环向应力导致AFRP筋与混凝土的粘结破坏。由试验可知，FRP混凝土结构在干湿和温差大的环境条件下的耐久性较差，但这个试验结果只适合本试验的试验条件，同时，由本试验可知FRP材料对环境条件很敏感，因此还需要进一步研究在实际环境条件下FRP筋预应力混凝土结构的耐久性。2.2FRP混凝土结构的延性由于纤维筋的高抗拉强度和应力-应变的线性关系，导致FRP筋混凝土结构的延性差、破坏呈明显脆性，这是FRP筋混凝土结构的最大缺陷，延性问题是FRP筋能否得到广泛应用所需解决的根本性问题之一。美国的win.Somboonsong等人使用一种基于建筑的纤维设计新方法[11]，通过材料的混杂，使FRP筋能够具有确定的屈服点、高初始弹性模量和高极限应变等延性优点，同时，FRP筋的高强度、耐腐蚀和质轻的优点继续保持。混杂纤维筋的制作过程：1）编织，使用一台循环的编织机。混合纤维筋的成分包括轴丝、配丝、肋丝和编织丝，每种丝都由各种纤维材料混合组成；2）涂树脂，提高纤维的湿度和缩短烘干时间；3）定型，确保纤维筋横截面的形状；4）烘干；5）拉伸；6）切割。试验表明：通过新的设计方法制造的混合纤维筋具有良好的延性。这种延性混合纤维筋的研究对纤维筋的推广应用具有广泛的工程意义，同时，这种设计理念也为我们进一步改善纤维筋的延性提供了方向。2.3FRP筋预应力加固混凝土结构的特性对于大部分旧混凝土结构，特别是桥梁、停车场等，由于使用功能的改变，结构要求的提高，原设计中的缺陷，结构在使用过程中的损坏等原因，同时，为了达到经济优化的原则，我们需要对旧混凝土结构进行修复和加固。一个有效的修复和加固的方法就是对结构物进行外部预应力加固，外部加固具有施工方便和便于对外部筋进行监测的优点。以前外部筋都采用钢筋，因为它具有良好的延性，但由于裸露在外面，容易腐蚀，需要长期的养护，不够经济。最近人们常采用FRP筋作为外部筋，尽管它延性较差、弹性模量较低，但它具有强度高、质量轻和抗腐蚀等优点，同时，在外部预应力加固时，外部筋承受的应力较小（远低于纤维筋的极限承载力），且低弹性模量有助于降低预应力损失，因此，利用FRP筋对旧结构物进行外部预应力加固是结构加固的发展方向[12，13]。3FRP混凝土的应用现状FRP筋材用于增强混凝土结构，和钢筋相比，具有高纵向强度、耐腐蚀、非磁性、耐疲劳、轻质、低导电性等优异特性。FRP筋具有材料性能的可设计性、结构形状的多样性，并且它与水泥混凝土的线膨胀系数相近。自80年代以来，FRP筋的实际应用不断增加，目前已在试验研侒和工程应用中取得了很大的成果。3.1桥梁和道路工程中的应用在一些较冷的地方，为防止道路结冰，通常采用在桥梁和路面上洒盐的方法，以防止冰冻，而盐分中的氯化物离子会使钢筋受到腐蚀，从而加剧了钢筋的腐蚀，因此需要解决防腐蚀问题。使用FRP筋，可大大减少腐蚀问题，降低维修成本。目前，世界各地都存在桥梁和道路工程中钢筋混凝土的腐蚀问题。仅加拿大就有20多万座桥梁和结构物需要解决承载能力不能满足使用要求的问题[14]。1993年，在加拿大西南部城市卡尔加里，用混有光纤传感器的FRP筋建造了世界上第一座FRP筋增强混凝土桥[15]。在美国使用，FRP筋的最大工程项目是西弗吉尼亚州的Mackinleyville桥，这是美国第一座使用FRP筋增强桥面板的公路桥。美国的RJD工业公司采用FRP筋已在伊利诺斯州、衣阿华州和威斯康星州的公路上投入应用。1980年，德国在一座实验性人行桥上采用了玻璃纤维增强筋；1986年在杜塞尔多夫一座通行重型货车的桥梁上使用了玻璃纤维增强预应力筋；1991年在路德希港建造了一座跨度80m的预应力碳纤维增强的混凝土桥梁[16]。除德国外，欧洲其他国家如英国、法国、荷兰和挪威等也进行了研究及应用。3.2近海地区的混凝土结构中的应用在近海地带，混凝土钢筋易受到从海洋刮来的湿风中海盐粒子的腐蚀而发生明显的早期劣化。沿海地区很多建筑物阳台的钢筋，都会受到海风中海盐粒子所含氯化物离子的腐蚀。在美国有人使用FRP筋代替被腐蚀的钢筋来修复这此阳台。在日本，某一靠近海岸的砼煤仓使用FRP筋作为防裂筋。另外，由于氯离子的侵蚀及冻融的作用，港口及水道的钢筋混凝土护岸桩、承载桩及板桩容易损坏，而采用FRP筋则可以很好的解决这一问题。3.3低导电和非磁性中的应用在要求低导电或电磁中性的场合，如使用钢筋，往往要求更加复杂的建筑设计，以保证每一钢筋与周围钢材绝缘，这在施工中难以做到。采用FRP就能避免这一问题，与钢筋不同，FRP筋是一种电绝缘体，并具有非磁性。利用FRP筋的电绝缘性和非磁性，可以作为机场和军用设施防雷达干扰的理想材料；在敏感电气设备测试设施的硷围墙内使用FRP筋，可防止电磁干扰，这方面欧洲已有应用。在磁共振成像设施方面，如果使用钢筋会干扰磁场，所以，FRP筋成了很多医疗保健部门磁共振成像装置的指定材料[17]，这也是美国FRP筋早期的主要用途。此外利用FRP筋的电绝缘性和非磁性，还可以用于地磁观测站、核聚变建筑物、铝和铜的冶炼设备、电子设备的辅助结构如电信传输塔、机场指挥塔等。3.4防腐应用化工厂、水处理厂等腐蚀性环境对钢筋的腐蚀性很大，生活废水或工业废水也是钢筋的重大腐蚀源，其他气态、固态和液态的化学品也可以造成钢筋的腐蚀。而FRP筋不生锈，不腐蚀，尤其是具有极高的耐盐性，对水泥砂浆中的盐分浓度或二氧化碳浸透和扩散等具有较高的容许度，能防止在苛刻环境下使用混凝土构筑物的腐蚀，提高其耐久性。在美国，有几家大的化学公司使用，FRP筋增强砼制造化工厂地面板。3.5一般建筑应用FRP筋在一般建筑物中的应用实例有地板、墙壁、栏杆、扶手、层檐等现浇构件。除此之外，FRP筋还被用来制造预制砼构件。美国佛罗里达州的一建筑物的预制构件原先使用的钢筋产生了腐蚀斑点，故用FRP筋取代了钢筋。靠近加拿大多伦多的一家工厂也使用FRP筋预制公路隔离墙，来取代寿命较短的钢筋制件[18]。4结语总之