纖維增強(qiáng)塑料筋在土木工程中的應(yīng)用探討

【摘要】在土木工程中，近年來纖維塑料增強(qiáng)筋的應(yīng)用逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。纖維塑料增強(qiáng)筋具有的輕質(zhì)、耐腐蝕、高強(qiáng)、抗疲勞、低彈性模量、比重小等優(yōu)點(diǎn)使其在土木工程中日益得到廣泛應(yīng)用。本文基于國內(nèi)外有關(guān)資料，對(duì)纖維塑料增強(qiáng)筋的物理力學(xué)性能及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了較深入地探討，提出了纖維塑料增強(qiáng)筋的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】纖維塑料增強(qiáng)筋；土木工程；力學(xué)性能

1、序言

在土木工程中，因鋼筋銹蝕而破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是普遍存在一個(gè)主要問題。根有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在各類破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原因中鋼筋銹蝕高達(dá)近60%，針對(duì)鋼筋耐久性不夠而發(fā)生損壞的橋梁維修經(jīng)費(fèi)也逐年增加，國內(nèi)僅存在此情況的危橋就約占1/3左右。所以，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不斷提高，是土木工程領(lǐng)域需要解決的一個(gè)重要問題。纖維塑料增強(qiáng)筋具有輕質(zhì)、耐腐蝕、高強(qiáng)、抗疲勞、低彈性模量、比重小等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于混凝土結(jié)構(gòu)中的作為普通鋼筋的替代品，從本質(zhì)上有效解決因鋼筋銹蝕導(dǎo)致的工程失效問題。纖維塑料增強(qiáng)筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已逐漸成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。

纖維塑料增強(qiáng)筋主要由高性能纖維與基體材料構(gòu)成，纖維是一種具有加勁作用的增強(qiáng)材料，基材具有粘結(jié)、剪力傳遞作用。纖維分為碳纖維、玻璃纖維、混雜纖維與芳綸纖維四種，依據(jù)不同的連續(xù)纖維種類，常用的纖維塑料增強(qiáng)筋筋主要有碳纖維增強(qiáng)塑料筋、玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋、混雜纖維增強(qiáng)塑料筋與芳綸纖維增強(qiáng)塑料筋。

2、纖維塑料增強(qiáng)筋的物理力學(xué)性能

纖維塑料增強(qiáng)筋具有非常小的密度，只相當(dāng)于鋼材的六分之一左右，在相同直徑下其質(zhì)量遠(yuǎn)低于鋼筋；又由于其具有較高的強(qiáng)度，因此，對(duì)于重量比及剛度對(duì)重量比可達(dá)到鋼筋的十至十五倍。在施工中不只是降低施工荷載、布筋勞動(dòng)強(qiáng)度及勞動(dòng)成本；還能用于混凝土結(jié)構(gòu)，明顯減輕結(jié)構(gòu)本身重量。在大跨度斜拉橋與懸索橋中使用時(shí)能夠明顯提高橋梁結(jié)構(gòu)的極限跨徑，降低地震作用的影響。因纖維含量、種類及樹脂種類等存在差異，纖維塑料增強(qiáng)筋具有不同的橫縱向熱膨脹系數(shù)；纖維控制縱向熱膨脹系數(shù)，樹脂控制橫向熱膨脹系數(shù)。通?？v向熱膨脹系數(shù)低于橫向熱膨脹系數(shù)，差別受連續(xù)纖維與樹脂類型及纖維體積率等因素的影響。但纖維塑料增強(qiáng)筋熱膨脹系數(shù)接近于混凝土，在溫度改變時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力而使纖維塑料增強(qiáng)筋與混凝土粘結(jié)受到破壞，進(jìn)而確保纖維塑料增強(qiáng)筋與混凝土實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。該材料中因不同的纖維成分而在力學(xué)性能具有較大的差別，而不同纖維材料也是使其性能表現(xiàn)出很大差異。纖維塑料增強(qiáng)筋作為一種脆性材料，其拉伸應(yīng)力與應(yīng)變具有正比例關(guān)系，材料變化遵循虎克定律，在達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限前不會(huì)產(chǎn)生塑性改變。

3、纖維塑料增強(qiáng)筋的應(yīng)用

3.1橋梁工程中的應(yīng)用

美國DEL351橋就是美國第一座全復(fù)合材料橋，該橋由兩塊980米長(zhǎng)、7.8米寬、0.75米厚的復(fù)合材料橋面板構(gòu)成，每塊橋面僅有6.3噸重，質(zhì)量只相當(dāng)于水泥橋面的十分之一。這座采用復(fù)合材料建設(shè)的橋梁為橋梁設(shè)計(jì)維修及復(fù)合材料的應(yīng)用都打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，加拿大Joff橋、丹麥Herning斜拉橋、日本飛翔橋等都是采用纖維塑料增強(qiáng)筋等復(fù)合材料建設(shè)的橋梁。這些成功的案例都說明在橋梁設(shè)計(jì)施工各環(huán)節(jié)中加強(qiáng)管理，密切監(jiān)測(cè)，采用纖維塑料增強(qiáng)筋替代鋼筋是非?？尚械?。

3.2海洋工程中的應(yīng)用

在海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，結(jié)構(gòu)防腐是海洋工程中最為突出的一個(gè)問題。在建的海洋工程都采用15厘米混凝土保護(hù)層的鋼混結(jié)構(gòu)及相應(yīng)防腐措施，該結(jié)構(gòu)只具有20年左右的耐久年限，無法達(dá)到海洋工程結(jié)構(gòu)的要求。而纖維塑料增強(qiáng)筋抗腐蝕性能優(yōu)異，采用該材料的混凝土結(jié)構(gòu)就能有效解決海洋工程的鋼筋銹蝕問題，對(duì)于促進(jìn)海洋工程建設(shè)具有重要意義。

此外，海風(fēng)中鹽粒子容易腐蝕近海區(qū)域的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致出現(xiàn)顯著地早期劣化現(xiàn)象。沿海區(qū)域中鹽粒子中氯化物離子會(huì)侵蝕多數(shù)建筑物的陽臺(tái)鋼筋，因氯離子侵蝕與凍融作用，容易損壞港口及水道的有關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。但應(yīng)用纖維塑料增強(qiáng)筋能夠有效解決此問題，在美國、日本等國家，臨近海岸的混凝土結(jié)構(gòu)都采用該材料作為防裂筋。

3.3巖土工程中的應(yīng)用

在巖土工程中，錨桿通常使用高抗拉強(qiáng)度的鋼材用于巖土錨固，但很多巖土錨固工程實(shí)例都體現(xiàn)出，錨桿的頻繁銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼錨桿錨固工程破壞失效，甚至發(fā)生嚴(yán)重安全事故。上世紀(jì)九十年代以來，國外逐漸應(yīng)用纖維塑料增強(qiáng)筋的非金屬錨桿用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼錨桿。在惡劣地質(zhì)條件下纖維塑料增強(qiáng)筋具有優(yōu)越的抗腐蝕性能，較高的抗拉強(qiáng)度及較低的抗剪強(qiáng)度，因此將其用于研制錨桿替代鋼錨桿不需要采取防腐保護(hù)措施，具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較輕的重量，容易生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝等明顯優(yōu)勢(shì)。該材料已被廣泛用于臨時(shí)基坑支護(hù)的錨桿、土釘墻等巖土工程，滿足設(shè)計(jì)使用中的各項(xiàng)要求。

3.4特殊工程中的應(yīng)用

一是應(yīng)用于非導(dǎo)電與非磁性結(jié)構(gòu)工程中，在此類結(jié)構(gòu)中應(yīng)用鋼筋需要更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)以確保鋼筋與周圍材料絕緣，但纖維塑料增強(qiáng)筋具有良好的電絕緣性與非磁性，能妥善解決該問題。在軍事上，可用于機(jī)場(chǎng)與軍用設(shè)施以防止雷達(dá)干擾的一個(gè)理想材料，還能應(yīng)用于敏感軍用設(shè)備的混凝土墻內(nèi)以防止電磁干擾。

二是應(yīng)用于高寒環(huán)境下的基礎(chǔ)工程中，高寒環(huán)境下的基礎(chǔ)工程設(shè)施維護(hù)成本較高，所以，針對(duì)在建各種基礎(chǔ)設(shè)施，提高工程質(zhì)量、縮短工期、降低成本是重要問題。采用纖維塑料增強(qiáng)筋替代鋼筋建設(shè)免維護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)，就能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施耐久性提高與使用壽命延長(zhǎng)的結(jié)果。

三是應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害防治工程中，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)技術(shù)是治理山體滑移最有效的方法，使用預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨桿用于預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)，會(huì)由于鋼筋銹蝕等問題而帶來較大的安全隱患。因此，采用預(yù)應(yīng)力纖維塑料增強(qiáng)筋代替預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨桿能夠有效解決此類安全隱患。

4、結(jié)語

隨著高新科技不斷發(fā)展，土木工程領(lǐng)域也具有更高的要求。傳統(tǒng)建材難以滿足這種要求。纖維增強(qiáng)塑料筋具有其它材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)奠定了其重要的應(yīng)用基礎(chǔ)。由于受到該材料脆性、價(jià)格、錨固等因素的影響，使其應(yīng)用受到了一定限制。在隧道工程、人防工程等重要工程中，纖維增強(qiáng)塑料筋顯示出明顯的優(yōu)越性。作為一種新型建筑材料在土木工程中成為復(fù)合材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著逐漸開展的相關(guān)研究與應(yīng)用，對(duì)于促進(jìn)土木工程技術(shù)進(jìn)步，深入推進(jìn)材料國產(chǎn)化的進(jìn)程都具有重要意義，纖維增強(qiáng)塑料筋的應(yīng)用對(duì)于我國土木工程的發(fā)展具有劃時(shí)代的作用。

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作者簡(jiǎn)介

劉冬梅（1984-），女，本科學(xué)歷，研究方向：土木工程。