FRP筋混凝土研究概述

本文由同济大学孙振平教授课题组曾文波整理

注:本公众号所发布内容均为课题组原创,转载或修编时请务必注明出处


1 前言

纤维增强塑料(FiberReinforced Polymer,简称FRP),它是一种常见的复合材料,在FRP中,纤维是增强材料,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,具有连结、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。

FRP具有质轻、抗拉强度高、耐腐蚀、材料结合力强、透磁波性能强等优点。近年来,FRP越来越多的应用于土木工程,其主要原因是: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除具有很好的耐腐蚀性以外,还有比强度高、耐疲劳性好等优点。同时,FRP还具有良好的可设计性,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筋混凝土结构就应运而生了[1]

本文主要介绍了FRP筋混凝土的性能,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。

2  FRP筋混凝土的性能

2.1  FRP的特点

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。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CFRPGFRPAFRP

近年来,尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后,FRP(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研究热点[2]FRP主要有以下优点:

(1) 比强度高

FRP具有很高的比强度,其密度范围是(1.25~2.1)g/cm3,为钢筋密度的1/6~1/4,但其力学性能远优于钢筋,如表1,可知其轻质高强,因此采用FRP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。

FRP筋混凝土研究概述

(2) 耐腐蚀性好

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在实际工程中得到证明。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) 可设计性好

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,可制成布、板材和棒材等。

FRP筋混凝土研究概述

(4) 弹性好

FRP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) 便于工业化生产

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等。

2.2  FRP筋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.Saada trnanesh等人研究了直径为10mmAFRP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[3]。由试验结果可知:

(1) 应力松弛(0-50)

   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。

(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)

   a)  AFRP筋的徐变性能在酸性溶液、碱性溶液和空气中依次提高;

   b)  AFRP筋在酸性环境下耐久性差,但好于钢筋的耐久性。

2.3  FRP筋混凝土结构的延性

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,也是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,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[4]。其研究表明,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。

2.4  FRP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,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[5]

3  FRP筋混凝土的研究与应用现状

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,目前已在试验研究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

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。在一些较冷的地区,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[6]

3.2  沿海地区和海洋工程的混凝土结构中的应用

在沿海地区和海洋工程中由于混凝土结构受到氯盐的侵蚀,结构的防腐蚀成为突出的问题,结构的耐久年限远远达不到沿海地区和海洋工程结构的耐久性要求。由于FRP筋具有很好的抗腐蚀性能,采用FRP筋代替混凝土结构中的钢筋就可以从根本上解决沿海地区和海洋工程中的钢筋锈蚀问题,延长结构的使用年限,节约资源。

3.3  混凝土构件性能监测中的应用


CFRP筋具有自感知智能性能,可以通过在CFRP筋的生产过程中将光线传感器埋置于碳纤维和树脂之中,利用光纤传感器的传感原理实现实时监控,或者利用CFRP自身的导电性,通过CFRP筋受力过程中电阻的变化来获得混凝土构件的应力和应变信息[7]

3.4  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,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。

3.5  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,有多家化学公司使用FRP筋增强混凝土制造化工厂地面板。

3.6  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混凝土构件[8]。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预制件。

4  FRP筋应用存在的问题

FRP筋在许多方面都获得了应用,但与钢筋相比,虽然有强度高、不会因氯离子而引发劣化等优点,但也存在一些问题。

(1) 刚度一般比钢材低,所有FRP筋材都呈线性断裂,不存在塑性范围。由于FRP筋强度高而刚度相对较低,混凝土受压时可能发生断裂而筋材不会发生破坏。

(2) FRP筋压缩强度与其拉伸强度相比而言较低。因此,传统的设计方式不再有效。在圆柱四周包绕FRP的效果研究表明,这会引起断裂荷载和断裂应变的增加,在设计中需要考虑。

(3) 耐火性不如钢材,在设计某些类型的建筑物时需要考虑。

结语

在当今充满竞争的市场中,作为一种新型建筑材料,FRP筋混凝土的发展方向是有效利用FRP筋的功能特性。世界各地的应用表明,FRP筋混凝土是一种富有生命力的材料,特别是在某些用途中。但由于建筑行业还存在一个从“低用量、高应用技术要求”发展到“高用量、较低应用技术要求”的过程,FRP筋增强混凝土结构要被广泛接受,还需要一个过程。以后随着FRP筋生产技术提高,工程质量要求的提高,建筑物使用寿命延长,玻纤、树脂制造价格的进一步降低,FRP筋混凝土将具有非常广阔的发展应用前景。

参考文献

[1] 冯肖, 葛文杰, 陈坦, . FRP筋混凝土梁研究现状[J]. 新型建筑材料, 2015, (12): 48-51.

[2]  叶列平, 冯鹏. FRP在工程结构中的应用与发展[J]. 土木工程学报, 2006, (03): 24-34.

[3] Hamid SaMatmanesh. Long-Term Behavior of Aramid Fiber Reinforced Plastic(AFRP) Tendons [J]. ACI Materials Journal, 1999, 96(3): 297-305.

[4]  汪晓明. FRP加固钢筋混凝土板的分析与设计[J]. 结构工程师, 2004, (7): 14-15.

[5]  王景全. 体外预应力加固方法与软件设计[J]. 工业建筑, 2005, 35(1): 79-81.

[6]  梅葵花, 徐进. FRP简介及其在桥梁工程中的应用综述[J]. 中外公路, 2010, (04): 247-250.

[7]  郝庆多, 王勃, 欧进萍. 纤维增强塑料筋在土木工程中的应用[J]. 混凝土, 2006, (09): 38-40+44.

[8]  陈德伍. FRP筋的性能及其在土木工程中的应用[J]. 山西建筑, 2008, (06): 190-191.

FRP筋混凝土研究概述

感谢各位读者朋友长期以来的关注和支持,由于微信公众平台回复消息的时长限制,我们未能成功答复每一位读者的留言,敬请谅解。

为了方便进一步交流和沟通,请您发送邮件至szhp_tj@126.com


阅读:3