纖維增強塑料筋在土木工程中的運用研究

王 榮 賢

（鄭州大學(xué)， 河南 鄭州 450001）

纖維增強塑料筋在土木工程中的運用研究

王 榮 賢

（鄭州大學(xué)， 河南 鄭州 450001）

纖維增強塑料筋在土木工程中的使用是目前建筑行業(yè)的熱點之一，纖維增強塑料筋可以有效克服傳統(tǒng)鋼筋在使用過程中的面臨的腐蝕性。在綜合國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上對纖維增強塑料筋的使用情況進行研究總結(jié)，提出了展望和需進一步解決的問題

纖維增強塑料；土木工程；運用

隨著我國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和房地產(chǎn)開發(fā)也飛速發(fā)展，土木工程中需要大量的建設(shè)材料，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然在強度上具有一定的優(yōu)勢，但是卻存因質(zhì)量較大柱體要承受較大重量影響設(shè)計空間，混凝土中的鋼筋容易受外界因素影響或者碳化而導(dǎo)致銹蝕，隨著時間推移出現(xiàn)腐蝕剛性退化的不足之處，如何使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐腐蝕性增強，提高工程使用期限，是土木工程領(lǐng)域需要解決的一個重要問題。同時隨著建筑設(shè)計的要求，有些建筑如橋梁、碼頭、機場、等建設(shè)中需要具有高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕、無磁性等優(yōu)異性能的材料。為了解決面臨的問題，借助材料學(xué)學(xué)科的發(fā)展和大量的研究，纖維增強塑料(英文簡寫為FRP)的出現(xiàn)為解決建筑行業(yè)這一問題提供了可能，纖維增強塑料筋在土木工程中替代鋼筋使用解決了鋼筋混凝土耐久性不足和質(zhì)量過大的實際問題，因此本研究在前人研究的基礎(chǔ)上對纖維增強塑料的運用情況進行研究分析，為進一步使用纖維增強塑料提供理論和是實踐指導(dǎo)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 纖維增強塑料概念及成分

概念上纖維增強塑料筋是一種由增強和基體材料組成的復(fù)合型材料，其主要組成成分是高性能纖維，基體材料主要是合成樹脂，高性能纖維主要分為有機纖維與無機纖維兩種，其中有機纖維的主要有芳綸纖維和混雜纖維兩種。無機纖維品種較多像玻璃纖維、金屬纖維、石英玻璃纖維、碳纖維等。目前建筑行業(yè)中玻璃纖維增強復(fù)合材料、鋼纖維增強復(fù)合材料碳纖維增強復(fù)合材料、芳綸纖維增強復(fù)合材料和混雜纖維增強復(fù)合材料是建筑工程中最常采用的復(fù)合材料。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

纖維增強塑料作為一種新型建筑材料的出現(xiàn)，在建筑行業(yè)中用來替代鋼筋或鋼板，首先起源于發(fā)達國家，纖維增強塑料在國外研究和應(yīng)用均開始較早。20世紀70年代，德國、日本、美國等國家就開始研究纖維增強塑料材料在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，1993年世界上第一個關(guān)于FRP材料的建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在日本制定并執(zhí)行，歐洲關(guān)于FRP筋的設(shè)計規(guī)范也正在編制過程相對比較晚。雖然我國對 FRP材料的研究和在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究起步較晚，但隨著但近年來許多建筑研究機構(gòu)及高?？蒲性核尤?，(如東南大學(xué)、同濟大學(xué)等)已開始進行深入研究，并取得了一些研究成果，其中粘FRP板加固法的研究已接近國際先進水平。同時對纖維增強塑料使用過程中的強度、變形等進行研究分析，在張亞坤《纖維增強塑料筋混凝土板的變形研究》（長江科學(xué)院院報 ，2013.9）通過纖維增強塑料筋混凝土四邊簡支雙向板的沖切性能試驗，得到試驗雙向板的荷載 —撓度曲線以及撓度分布圖，試驗表明，為纖維增強塑料筋加強混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用和對混凝土板沖切問題的深入研究可提供試驗依據(jù)。李炳宏在《纖維增強塑料筋混凝土梁抗彎設(shè)計數(shù)值分析》（長安大學(xué)學(xué)報，2011.9）一文中根據(jù)極限強度理論，采用對混凝土構(gòu)件正截面分層的方法，對構(gòu)件的彎矩-曲率關(guān)系和荷載-撓度關(guān)系進行了數(shù)值計算，研究結(jié)果表明由于纖維增強塑料筋抗拉彈性較低，和傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相比，纖維增強塑料筋混凝土梁剛度較低是其不足之處。周俊龍《玄武巖纖維增強塑料筋耐腐蝕性研究》（土木建筑與環(huán)境工程 ，2011.6）研究認為玄武巖纖維增強塑料筋耐氯化鈉鹽溶液腐蝕性能較好,而耐堿腐蝕性較差,其原因主要是因為原材料中的連續(xù)玄武巖纖維的耐堿性較差。對于將玄武巖纖維增強塑料筋長期使用在混凝土中必須對其耐堿性進行改性。劉冬梅《纖維增強塑料筋在土木工程中的應(yīng)用探討》（工程技術(shù)，2014.7）近年來纖維塑料增強筋的應(yīng)用逐漸成為一個研究熱點。纖維塑料增強筋具有的輕質(zhì)、耐腐蝕、高強、抗疲勞、低彈性模量、比重小等優(yōu)點使其在土木工程中日益得到廣泛應(yīng)用。整體上來說纖維增強塑料在建筑行業(yè)的應(yīng)用研究已經(jīng)比較深入，在具體使用方面也積累了不少的經(jīng)驗，并根據(jù)使用環(huán)境對纖維增強塑料進行了適當(dāng)?shù)母脑臁?/p>

2 纖維增強塑料筋在替代鋼筋中的運用

2.1 新型纖維塑料筋在橋梁建設(shè)工程中的使用

橋梁工程建設(shè)是土木工程的一個重要分支，古代橋梁以簡單通行主，載重不大，材料多用石料等，橋面縱坡可以較陡，甚至可以鋪設(shè)臺階。隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，現(xiàn)代橋梁所承受的載重逐倍增加，而且為了實現(xiàn)迅捷交通，有時要跨越更大更深的江河、峽谷，這就迫使橋梁建設(shè)向大跨度發(fā)展。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土在解決橋梁基礎(chǔ)建設(shè)方面有不可替代的作用，但是隨著橋面工程跨度的增加，混凝土材料雖然能提供一定的強度滿足橋梁工程需要，但是由于混凝土自身重量過大，對橋梁工程的跨度有一定的制約，需要新型材料解決傳統(tǒng)建筑材料質(zhì)量過大，耐腐蝕性不強的問題。纖維增強塑料作為一種新型建筑材料，具有強度大、密度小、耐腐蝕的特點，相同直徑的鋼材相比，具有重量輕，強度大的在，有研究顯示相同直徑下纖維增強塑料筋大于鋼筋強度，同時質(zhì)量又遠遠小于鋼材，因此纖維增強塑料筋的使用在保持或增強橋梁工程強度的同時還可以解決橋梁工程自重過大問題，纖維塑料增強用于混凝土中替代鋼筋，特別是在水中或者土中使用，明顯可以降低腐蝕對強梁的危害，減少維護保養(yǎng)費用，增強橋梁使用時間，在橋梁建設(shè)主體框架和橋面建設(shè)中使用纖維塑料筋替代鋼筋可明顯減輕橋梁工程結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量。由于新型纖維塑料筋本身具有質(zhì)量輕，強度大的特點，因此在橋梁施工中可以有效降低施工荷載、布筋勞動強度及勞動成本。新型纖維塑料筋在橋梁建設(shè)中首先在國外開始，大量使用新型纖維塑料筋取代鋼筋的是美國DEL351橋，該橋根據(jù)美國國家高速公路和運輸者協(xié)會(AASHTO) 的技術(shù)條件設(shè)計，是美國第一座新型纖維塑料筋構(gòu)成的全復(fù)合材料橋，主體上該橋由兩塊復(fù)合材料橋面板構(gòu)成，每塊橋面質(zhì)量只有水泥橋面的十分之一[1]，該橋梁的建成為橋梁建設(shè)采用復(fù)合材料奠定了基礎(chǔ)，另外使用新型纖維塑料筋取代鋼筋建成的復(fù)合大橋還有加拿大Joff橋、日本飛翔橋、丹麥Herning斜拉橋等，國外這些成功的橋梁建設(shè)案例說明在橋梁建設(shè)中，只要設(shè)計合理，適當(dāng)采取纖維塑料增強筋對傳統(tǒng)鋼筋進行替代是土木工程的發(fā)展，是解決目前傳統(tǒng)混凝土材料面臨腐蝕導(dǎo)致剛性不足和的途徑之一，實踐也證明新型纖維塑料筋是解決混凝土自重太大的方法之一。

2.2 海洋工程建設(shè)中纖維塑料增強筋的應(yīng)用

海洋總面積約為3.6億km2，約占地球表面積的71% ，隨著社會的發(fā)展，人們不僅僅局限于陸地上的生活發(fā)展，為了獲取更多的資源，人們越來越多的加大對海洋的開發(fā)。因此海洋工程得以迅速發(fā)展，大量的工程涉及到海洋，就其概念而言，海洋工程是指以開發(fā)和利用海洋資源，保護良好海洋生態(tài)環(huán)境恢復(fù)為目的，而進行的和海洋有關(guān)的土木工程建設(shè)，如各種堤壩工程、碼頭、人工島、海上油田設(shè)施、跨海橋梁等，海洋工程不是現(xiàn)在才有的概念，文獻資料研究發(fā)現(xiàn)，公元前1 000多年地中海沿岸國家在已開始進行有關(guān)航港設(shè)施的建設(shè)；我國遠在公元前300多年就在沿海設(shè)立通商港口并進行相應(yīng)建設(shè)，荷蘭在中世紀初期也開始建造海提，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和國防需要，海岸工程得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)成為土木工程的重要組成部分，為了加強對海洋資源的控制，各國都加大了海洋工程的開發(fā)力度。

研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)不同的使用用途云，海洋工程也形成了不同的結(jié)構(gòu)型式，但不管哪種結(jié)構(gòu)，面臨最突出的問題就是海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的結(jié)構(gòu)防腐問題，面臨海水侵蝕，海洋工程設(shè)施中筋混凝土結(jié)構(gòu)易受到海風(fēng)中鹽粒子的腐蝕而發(fā)生明顯的早期劣化，也容易受外界的影響如海水、空氣中的氯離子等。出現(xiàn)碳化導(dǎo)致混凝土剛性耐久性不足，實踐也證明沿海地區(qū)很多混凝土建筑物中鋼筋的因為過多的受到空氣中氯化物離子的影響而腐蝕，尤其是港口及水道的鋼筋混凝土護岸樁、承載樁及板樁設(shè)施由于氯離子的侵蝕和凍融的作用容易損壞，為了解決海洋工程建設(shè)中發(fā)生的混凝土鋼筋腐蝕問題，延長海洋工程建筑使用年限，目前在建的海洋工程在結(jié)構(gòu)上一般采用鋼混結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上采用加大混凝土防護墻（保護層）的辦法對海洋工程進行防護，增加了工程成本，但是保護后的混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限也大約只有20年，根本達不到海洋工程耐久性要求[3]。新型纖維塑料筋FRP具有優(yōu)良的抗腐蝕物理性能，克服了傳統(tǒng)鋼筋混凝土的不足，目前纖維塑料增強筋在海洋工程中的應(yīng)用典型的代表是日本Smitomo化工有限公司興建的一座碼頭。碼頭建設(shè)大量采用纖維塑料增強筋，碼頭建成以后進行了荷載試驗，實驗結(jié)果表明該碼頭能夠完全滿足使用的要求。現(xiàn)有使用新型纖維塑料筋的橋梁工程說明，只要嚴格按照海洋工程設(shè)計要求，纖維增強塑料筋能夠滿足海洋工程中的建設(shè)要求，克服混凝土的缺點。建設(shè)有質(zhì)量保障的海洋工程。

2.3 巖土工程建設(shè)中纖維塑料增強筋應(yīng)用

巖土工程是在土木工程實踐中逐步建立完善起來的一種新的技術(shù)分類。本質(zhì)上是土木工程的分支，歐美國家于就開始對巖土工程進行相關(guān)研究，認為巖土工程是解決各類建設(shè)工程中關(guān)于巖石、土的工程技術(shù)問題的科學(xué)。巖土工程在土木工程中占有很重要的位置。在巖土工程中，為了減少自然災(zāi)害，降低危害，如滑坡等問題，通常使用高抗拉強度的鋼材錨桿用于巖土錨固，防止塌方或者其他影響工程現(xiàn)象的發(fā)生，但很多巖土工程實例都不同程度的體現(xiàn)出固定設(shè)備發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，原因可能是隨著時間的推移,水泥不斷水化生成Ca(OH)2,所以對鋼筋進行腐蝕,也可能是由于不同的巖體具有一定的腐蝕性，導(dǎo)致工程過程中錨桿不同程度腐蝕，導(dǎo)致鋼錨錨固工程失效[2]，隨著材料學(xué)科的發(fā)展，纖維塑料增強筋作為一種新型建筑材料進入了沿途工程領(lǐng)域，由于纖維塑料增強筋具有優(yōu)越的抗腐蝕性能，能適應(yīng)惡劣外部環(huán)境增強使用壽命。因此國外巖石工程中逐漸嘗試應(yīng)用纖維塑料筋代替金屬錨桿，從而克服鋼錨桿在惡劣地質(zhì)條件下因腐蝕而產(chǎn)生的潛在危害，目前纖維塑料筋已被大量用于臨時建筑工程中基坑防護等巖土工程，實踐證明纖維塑料滿足巖石工程設(shè)計使用中的各項要求。

2.4 纖維塑料增強筋在預(yù)防災(zāi)害過程中的應(yīng)用

隨著大型土建工程的開發(fā)，在工程過程中隨時要注意自然災(zāi)害的發(fā)生，如道路護坡的固定、滑坡的預(yù)防、大型工程基礎(chǔ)保護等，目前采用的方法一般是采用預(yù)應(yīng)力錨固支護技術(shù)，通過前期布設(shè)相應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨桿，形成一定的規(guī)模防護，但是因為鋼絞線錨桿存在腐蝕隱患，長期使用后還是會帶來很大的工程或者生活隱患。隨著纖維塑料技術(shù)的發(fā)展，有效克服了鋼筋笨重和腐蝕的缺點，用預(yù)應(yīng)力纖維塑料增強筋取代預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨桿是建筑材料使用的一項改革和創(chuàng)新。使用纖維塑料增強筋后可以消除鋼筋銹蝕潛在的工程安全隱患。使用纖維塑料增強筋可減少后期維護次數(shù)，如三峽水電站成功蓄水后，從理論上講一部分山體與邊坡將埋于水底，若干年后一旦預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕而失去保護能力，導(dǎo)致山體或邊坡發(fā)生滑移，結(jié)果將是災(zāi)難性的，因此使用預(yù)應(yīng)力 FRP筋預(yù)防克服傳統(tǒng)鋼筋混凝土中鋼筋容易被腐蝕而導(dǎo)致潛在危險，具有一定的可行性。

3 結(jié) 論

纖維增強塑料作為一種新型建筑材料的出現(xiàn)，在建筑行業(yè)中用來替代鋼筋或鋼板，減少鋼筋腐蝕對土木工程的損害。纖維增強塑料在國外研究和應(yīng)用均開始較早。在實際應(yīng)用中也取得了一定的成績和應(yīng)用經(jīng)驗。我國對FRP材料的研究和在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究起步較晚，但是發(fā)展比較快，實踐證明纖維增強塑料筋的使用可以有效克服傳統(tǒng)鋼筋混凝土的不足之處，纖維增強塑料筋具有的輕質(zhì)、強度高特點可以滿足大型橋梁工程需要，在特殊行業(yè)中也有一定應(yīng)用。但是應(yīng)加快科技投入力度，解決纖維增強塑料本身存在脆性的不足之處。

［1］JTJ 053-94 公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程[S]. 2011.

［2］楊利偉.混凝土碳化的影響因素及其控制措施[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2005，36(2)：40.

［3］郝慶.多纖維增強塑料筋在土木工程中的應(yīng)用[J]. 混凝土, 2006，203（9）：38-40.

［4］張亞坤. 纖維增強塑料筋混凝土板的變形研究[J].長江科學(xué)院院報 ，2013，30（9）：106-109.

［5］李炳宏.纖維增強塑料筋混凝土梁抗彎設(shè)計數(shù)值分析[J].長安大學(xué)學(xué)報，2011，31（5）：51-56.

Application of Fiber Reinforced Plastic Bar in Civil Engineering

WANG Rong-xian

（Zhengzhou University, Henan Zhengzhou 450001，China）

Application of fiber reinforced plastic bar in civil engineering is one of the hotspots of the construction industry, fiber reinforced plastic bar can effectively overcome the corrosion problem of traditional steel. In this paper, based on domestic and foreign relevant data, application of fiber reinforced plastic bar was discussed, and some problems needing to solve were analyzed, the development prospect of fiber reinforced plastic bar was put forward.

Fiber reinforced plastic; Civil engineering; Application

TQ 320

A

1671-0460（2014）12-2699-03

2014-06-30

王榮賢（1964-），河南鄭州人，高級工程師，2011年畢業(yè)于鄭州大學(xué)土木工程專業(yè)，研究方向：土木工程，從事工程造價管理技術(shù)工作。