纖維增強(qiáng)塑料筋的性能及應(yīng)用前景

范瑞雯（河南強(qiáng)昌建筑工程有限公司 河南新鄉(xiāng) 453003）

纖維增強(qiáng)塑料筋的性能及應(yīng)用前景

范瑞雯
（河南強(qiáng)昌建筑工程有限公司 河南新鄉(xiāng) 453003）

本文介紹了纖維增強(qiáng)塑料筋纖維增強(qiáng)塑料筋的物理力學(xué)性能以及在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用概況。闡述了研究纖維增強(qiáng)塑料筋增強(qiáng)混凝土的目的和意義，提出了纖維增強(qiáng)塑料筋在混凝土構(gòu)件中的應(yīng)用前景。

纖維增強(qiáng)塑料筋；物理力學(xué)性能；混凝土

1、纖維增強(qiáng)塑料筋材料簡(jiǎn)介

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是以鋼筋為增強(qiáng)材料，鋼筋由堿性混凝土保護(hù)，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的適用性和耐久性。但是暴露在侵蝕性環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在濕度、溫度、二氧化碳?xì)怏w、氯離子的作用下，混凝土的逐漸中性化使鋼筋腐蝕，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

由于鋼筋腐蝕造成危害的嚴(yán)重性，人們對(duì)鋼筋腐蝕現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)以及為此進(jìn)行的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)正在逐步深入。例如，在鋼筋表面電鍍保護(hù)膜、靜電噴射熔粘保護(hù)膜、環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)膜等。但鋼筋與聚合物混凝土由于不同的熱性能影響了鋼筋聚合物混凝土的研究和應(yīng)用。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，提出以玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋這種合成的復(fù)合筋用來(lái)增強(qiáng)聚合物混凝土。

纖維增強(qiáng)塑料筋應(yīng)用于支撐和圍繞磁共振成像醫(yī)療設(shè)備的混凝土中，對(duì)于結(jié)構(gòu)不能使用傳統(tǒng)鋼筋的，可以選擇玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋替代。

2、纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土的研究現(xiàn)狀

歐洲于1996年成立了研究纖維塑料增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的聯(lián)合攻關(guān)組織，同時(shí)設(shè)立了研究該材料及其混凝土結(jié)構(gòu)性能的重大歐共體合作研究項(xiàng)目，并投入了雄厚的人力、物力。該項(xiàng)目的目的是研制適宜的纖維塑料產(chǎn)品以及制定相應(yīng)的纖維塑料增強(qiáng)、加固混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)施工規(guī)程。加拿大在1995年成立了專門(mén)研究纖維塑料增強(qiáng)、加固混凝土結(jié)構(gòu)的專家委員會(huì)。美國(guó)也成立了相應(yīng)的專業(yè)委員會(huì)，編制了纖維增強(qiáng)塑料及其混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)施工規(guī)程。日本的土木工程學(xué)會(huì)等多家機(jī)構(gòu)從事纖維增強(qiáng)塑料及其應(yīng)用于土木工程的研究，主要進(jìn)行纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品的研制、纖維增強(qiáng)塑料試驗(yàn)方法及其混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)方法等的研究，提出了連續(xù)纖維材料增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工建議。

我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料在土木工程中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)以及主管部門(mén)高度重視，同時(shí)得到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注、資助和支持，使我國(guó)在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究從開(kāi)始就沿著“高起點(diǎn)發(fā)展，高水平推進(jìn)，高效益應(yīng)用”的方針迅速發(fā)展。

3、纖維增強(qiáng)塑料筋的構(gòu)成

纖維增強(qiáng)塑料筋是以纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂為基體材料，并摻入適量輔助劑經(jīng)拉擠成型技術(shù)和必要的表面處理形成的一種新型復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐電磁等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。纖維有有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)纖維兩種，它們的抗拉強(qiáng)度和彈性模量都較高，是纖維增強(qiáng)塑料筋中的承載成份。

4、纖維增強(qiáng)塑料筋的基本物理力學(xué)性能

纖維增強(qiáng)塑料筋與鋼筋不同，是各向異性材料。不同成分纖維增強(qiáng)塑料筋之間的物理性能可能差別很大，一些因素例如纖維與樹(shù)脂的類型和含量、纖維的方向、尺寸效應(yīng)、生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制及生產(chǎn)方法都對(duì)產(chǎn)品的性能起著重要的作用。此外，與其它應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的材料一樣，纖維增強(qiáng)塑料筋的力學(xué)性能受加載歷史、持續(xù)時(shí)間、溫度和濕度等因素的影響。

4.1 比重

纖維增強(qiáng)塑料筋的比重一般在1.25～2.1之間，因此它比鋼筋輕4～5倍，使得其運(yùn)輸成本降低，在工作現(xiàn)場(chǎng)的加工安裝時(shí)間減少，施工便利，這些都應(yīng)該包括在選擇產(chǎn)品時(shí)的成本分析中。

4.2 熱脹系數(shù)

為了使混凝土和增強(qiáng)筋的變形差最小，這兩種材料在熱應(yīng)力下的性能必須接近。混凝土的熱脹系數(shù)通?？醋魇歉飨蛲缘摹＠w維增強(qiáng)塑料筋的縱向和橫向系數(shù)不同，與纖維、樹(shù)脂的類型、纖維的體積率有關(guān)。

4.3 抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量

與鋼筋不同的是，纖維增強(qiáng)塑料筋在達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)無(wú)任何實(shí)質(zhì)性的屈服變形，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用一條直到最大應(yīng)力點(diǎn)的直線表示。同時(shí)，纖維增強(qiáng)塑料筋具有尺寸效應(yīng)，即由于剪切滯后的原因，接近纖維增強(qiáng)塑料筋橫斷面中心的纖維受到的應(yīng)力沒(méi)有纖維增強(qiáng)塑料筋外表面的纖維受到的應(yīng)力大。這種現(xiàn)象導(dǎo)致大直徑纖維增強(qiáng)塑料筋的強(qiáng)度和效率的降低。另外，由于纖維增強(qiáng)塑料筋沿橫截面方向的脆性，確定纖維增強(qiáng)塑料筋的強(qiáng)度很困難，因?yàn)闇y(cè)試時(shí)錨固系統(tǒng)的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致纖維增強(qiáng)塑料筋過(guò)早地破壞，必須使用滿足測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)塑料筋強(qiáng)度要求的特殊的錨固裝置，使得纖維增強(qiáng)塑料筋試件的破壞發(fā)生在其測(cè)區(qū)以內(nèi)。

4.4 纖維增強(qiáng)塑料筋的彎曲強(qiáng)度

纖維增強(qiáng)塑料筋可以用熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂制成。熱固性樹(shù)脂由于它們的分子結(jié)構(gòu)在受熱時(shí)會(huì)分解，因此這種樹(shù)脂制成的纖維增強(qiáng)塑料筋不能彎曲。用熱塑性樹(shù)脂制成的纖維增強(qiáng)塑料筋可以通過(guò)加熱、加壓來(lái)彎曲。

4.5 抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量

纖維增強(qiáng)塑料筋試驗(yàn)顯示其抗壓強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度。與抗拉彈性模量不同的是，纖維增強(qiáng)塑料筋的抗壓彈性模量隨著纖維增強(qiáng)塑料筋的尺寸、類型、生產(chǎn)質(zhì)量控制、試件的長(zhǎng)徑比而變化。

4.6 剪切強(qiáng)度

纖維增強(qiáng)塑料筋的剪切強(qiáng)度往往很低，因?yàn)榧羟袕?qiáng)度主要取決于樹(shù)脂性能?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整纖維增強(qiáng)塑料筋的方向使其利用軸向拉力來(lái)抵抗剪切荷載。

4.7 徐變和徐變破壞

纖維在復(fù)合材料中的方向和體積率對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋的徐變特性影響很大。在不利的環(huán)境條件下，受恒載作用的纖維增強(qiáng)塑料筋可能在一段時(shí)間后突然破壞，這段時(shí)間叫持續(xù)時(shí)間，這一現(xiàn)象叫徐變破壞，存在于幾乎所有的結(jié)構(gòu)材料中。隨著持續(xù)拉應(yīng)力與纖維增強(qiáng)塑料筋短期強(qiáng)度比值的提高，持續(xù)時(shí)間會(huì)降低。

對(duì)大多數(shù)纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土結(jié)構(gòu)，因?yàn)槔w維增強(qiáng)塑料筋中的持續(xù)應(yīng)力低，基于考慮徐變破壞的應(yīng)力限制并不重要。應(yīng)當(dāng)注意，環(huán)境因素會(huì)影響徐變性能，可能使持續(xù)時(shí)間變短。

4.8 疲勞

纖維增強(qiáng)塑料筋有很好的抗疲勞性。在荷載重復(fù)作用下的測(cè)試結(jié)果表明，在低應(yīng)力比下，石墨纖維-環(huán)氧樹(shù)脂筋的疲勞強(qiáng)度比鋼筋高，而玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋的疲勞強(qiáng)度比鋼筋低。

5、纖維增強(qiáng)塑料筋存在的問(wèn)題和發(fā)展前景

影響纖維增強(qiáng)塑料筋力學(xué)特性的因素很多，例如溫度、濕度、荷載作用時(shí)間、紫外線作用和腐蝕等。如在潮濕的環(huán)境中，纖維增強(qiáng)塑料筋吸收過(guò)量的水分后強(qiáng)度和剛度會(huì)大大降低，樹(shù)脂的特性發(fā)生改變，纖維增強(qiáng)塑料筋膨脹和翹曲，因此最好選用具有抗潮濕性的樹(shù)脂。在寒冷地區(qū)還要考慮凍融循環(huán)作用的影響。纖維增強(qiáng)塑料筋盡管有很好的抗腐蝕性，但在特定的環(huán)境中也會(huì)破壞，必須根據(jù)具體情況選取適宜的材料。例如，混凝土在剛澆注時(shí)就是堿性的，這時(shí)可利用耐堿玻璃纖維。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究存在著以下不足：纖維增強(qiáng)塑料筋的預(yù)應(yīng)力錨固體系問(wèn)題；沒(méi)有引入與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程基本理論與設(shè)計(jì)方法相銜接的延性設(shè)計(jì)思想，對(duì)脆性破壞的纖維增強(qiáng)塑料筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有給出明確的、控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的延性指標(biāo)；試驗(yàn)工況多為單調(diào)荷載，疲勞荷載、長(zhǎng)期荷載、地震荷載等工況的研究很少；對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理和理論建模方面的研究有待進(jìn)一步深入。對(duì)纖維增強(qiáng)塑料筋及其混凝土構(gòu)件進(jìn)行深入研究，結(jié)合現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，制定出適合我國(guó)國(guó)情的纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

[1]薛偉辰.混凝土結(jié)構(gòu)中新型防腐配筋的最新研究進(jìn)展.工業(yè)建筑.29(12)

[2]ACI Committee 440.State-of-the-art report on fiber reinforced

[2] 高丹盈，B.Brahim. 纖維聚合物筋混凝土梁正截面承載力的計(jì)算方法[J].水利學(xué)報(bào).2001.9：73-80

[3]袁國(guó)青.GFRP筋增強(qiáng)混凝土梁受力性能分析.玻璃鋼/復(fù)合材料.2001.1

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1007-6344（2016）06-0330-01

范瑞雯（1974.4），女，河南新鄉(xiāng)人，本科，工程師，主要研究方向：建筑施工。