GFRP管混凝土的材料性能研究

侯軍強

(涿州市交通運輸局)

1 GFRP的性能

在FRP復(fù)合材料中，最常用的增強材料是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。玻璃纖維 GFRP(Glass fiber reinforced plastic)應(yīng)用最廣。GFRP是用玻璃纖維增強的塑料，即我們平常所說的“玻璃鋼”。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態(tài)的組合，通過復(fù)合手段形成的一種多相材料。由基體相、增強相和界面相組成。FRP(Fiber reinforced plastic)即纖維增強塑料，是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最廣泛的一種復(fù)合材料。它是由短切的或連續(xù)的纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體復(fù)合而成。其中，纖維為增強材料，它均勻地分散在基體之中，使基體材料的強度增長，起著最主要的承載作用;而基體材料的作用是把纖維粘結(jié)成一個整體，保持纖維間的相對位置，使纖維能協(xié)同作用，并保證纖維免受化學(xué)腐蝕和機械受損，減小環(huán)境的不利影響。同時，它還可以傳遞和承受剪應(yīng)力，在垂直纖維方向承受拉、壓受力。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是纖維增強材料中用的最普遍的一種。它是由熔化的玻璃液以極快的速度拉成細絲。其截面呈圓形，根據(jù)需要可制成連續(xù)纖維或短纖維(0.6～60 mm)。也可用玻璃纖維織成平紋、斜紋、單向布，供不同用途的需要。玻璃纖維的最大特點是強度高、耐高溫、耐腐蝕、隔熱性能好，但質(zhì)脆、易折斷，延伸率小。

一般玻璃很脆，強度低，但拉成細絲后其抗拉強度比高強鋼材還高出兩倍。纖維愈細，強度愈高。這是由于玻璃纖維的強度在很大程度上取決于纖維的表面狀態(tài)，即與纖維表面裂紋等缺陷的大小、數(shù)量有關(guān)。與塊狀玻璃或粗纖維相比，細纖維表面缺陷減小，因此纖維愈細，強度愈高。

化學(xué)成分對纖維性能影響很大。普遍規(guī)律是，玻璃纖維含堿量(Na2O、K2O)愈高，強度愈低。這是因為纖維表面缺陷隨含堿量的增加而增多。玻璃纖維的主要成分是Si2O，其次是各種金屬氧化物。其中，E玻璃纖維強度高、延伸率大且成本低，是土木工程界使用最早用量最大的玻璃纖維。另外，由于玻璃纖維價格便宜，強度較高，工藝成熟等特點，比較適合我國國情。

E玻璃的物理力學(xué)性能為:拉伸強度為3 400 MPa，拉伸彈性模量為71 000MPa，延伸率為3.37%，密度為2.55 t/m3。

1.2 樹脂

GFRP的基體一般采用不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂。其中環(huán)氧樹脂是最好的基體材料。它具有很多優(yōu)點:粘結(jié)力大、工藝簡單、固化后收縮小，硬度、強度和模量也比較高，但由于其價格貴、粘稠度大等原因，目前仍不是作為基體的首選材料。

2 GFRP管混凝土與鋼筋混凝土的力學(xué)性能

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用已有百年以上的歷史。由于它優(yōu)越的力學(xué)性能，一開始就受到歐美各國工程師的重視。隨著泵送混凝土工藝的發(fā)展，鋼管混凝土又悄然興起。目前鋼管混凝土的理論和應(yīng)用已相當(dāng)成熟，而GFRP管混凝土則還是一種新興的組合結(jié)構(gòu)。但是兩種結(jié)構(gòu)有許多相似性，所以GFRP管混凝土的研究可以借助鋼管混凝土的成功經(jīng)驗。

2.1 鋼管混凝土的力學(xué)性能

高強混凝土與鋼管共同承壓是一種完美的組合。鋼管為混凝土提供了強有力的側(cè)限，約束了它的橫向變形，使它由單向受力變成三向受力;管內(nèi)的混凝土又為鋼管提供強有力的內(nèi)部支撐，避免了鋼管的局部翹曲，兩者互相利用，互相支持，使這種組合結(jié)構(gòu)承載力得以提高，延性得以改善。

鋼管混凝土在工程中得到廣泛應(yīng)用，其原因有以下點。(1)鋼管本身就是模板，澆筑混凝土省去了支撐模板之役;(2)鋼管本身就是鋼筋，它兼有縱向受力筋和橫向箍筋的雙重功能;(3)鋼管對核心混凝土的套箍作用，能有效地克服高強混凝土的脆性;(4)核心混凝土對鋼筋提供了有效地內(nèi)部支撐，避免了鋼管的屈曲。

鋼管混凝土受壓時，核心混凝土的受力特點是:側(cè)向壓力是被動的，且隨縱向壓力的增大而增大。在鋼管混凝土受力初期，鋼管和混凝土按剛度比承重荷載，如果忽略二者界面上的粘結(jié)力，可認(rèn)為混凝土單向受壓狀態(tài)。隨著混凝土應(yīng)力的增加，如果其橫向變形，超過了鋼管的橫向變形，混凝土?xí)艿戒摴艿木o箍力，核心混凝土由單向受壓發(fā)展到三向受壓。

2.2 GFRP管混凝土的力學(xué)性能

GFRP管混凝土的基本工作原理是GFRP管對核心混凝土施加約束作用，使其在緊箍力作用下處于三向受力狀態(tài)，從而提高其承載力及其延性。

(1)GFRP管對核心混凝土產(chǎn)生緊箍效應(yīng)，對GFRP管混凝土受力性能產(chǎn)生重要影響:抗壓強度大大提高，由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?，增強混凝土抗剪能?GFRP管借助內(nèi)填混凝土支撐，增強了幾何穩(wěn)定性。兩種材料互相取長補短，得到了最完美的組合。

(2)核心混凝土GFRP管包裹，處于密封狀態(tài)，水分不會散失，收縮變形小。

(3)核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，軸向徐變減小。

(4)先預(yù)制GFRP管，再在其中填注混凝土，較外纏混凝土柱結(jié)合密實，具有較高的約束效果。

2.3 GFRP管混凝土與鋼管混凝土對比優(yōu)勢

(1)鋼管混凝土之所以能在工程上廣泛應(yīng)用是因為兩種材料發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，揚長避短，GFRP也同樣具有這種優(yōu)勢。

(2)鋼管混凝土在施工過程中，鋼管本身就是模板，在使用過程中，它又參與受力;GFRP也同樣具有這種功能，但鋼管易生銹，GFRP管抗腐蝕性能強。

(3)鋼管混凝土在地震中表現(xiàn)出良好的延性:GFRP盡管是脆性材料，但它和混凝土組合成的復(fù)合材料也同樣具有很好的延性，而且效率更高。

(4)隨著社會的發(fā)展，鋼管的取材越來越困難，而GFRP具有明顯地資源優(yōu)勢，符合可持續(xù)發(fā)展的思路。

(5)鋼管混凝土的理論研究已經(jīng)成熟，而GFRP的研究正處于起步階段。