FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用

蔣蕊陽

摘要：FRP復(fù)合材料在土木工程中有著廣泛的運(yùn)用。FRP復(fù)合材料的材料特性包括：抗拉性、延性、耐腐蝕性、耐久性以及自重性等，本文對(duì)FRP復(fù)合材料特性展開逐一研究，并對(duì)FRP復(fù)合材料在土木工程中的運(yùn)用提出見解，以期為行業(yè)做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：FRP復(fù)合材料;土木工程;工程結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：K826.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土木工程行業(yè)進(jìn)入全新的發(fā)展看階段。尤其是在FRP復(fù)合材料的使用下，提升了土木工程建設(shè)質(zhì)量。因此，在土木工程建設(shè)中就要做好FRP復(fù)合材料的使用工作，解決傳統(tǒng)工程建設(shè)中的不足。

1 FRP復(fù)合材料的特性

1.1 抗拉性、延性

與傳統(tǒng)建筑材料對(duì)比可以看出，F(xiàn)RP復(fù)合材料有著結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的特點(diǎn)，在使用中難以發(fā)生變形等問題。在大量實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，充分證明在滿足施工壓力的基礎(chǔ)上，使用FRP復(fù)合材料能夠最大限度地降低材料的使用數(shù)量，同時(shí)在施工過程中施工與操作比較便捷，能夠有效提升施工速度。但是，這種材料也存在著一定的不足，即在延展性方面不高，但是并不影響其在強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。

1.2 耐腐蝕性與耐久性

FRP復(fù)合材料在耐腐蝕性方面相對(duì)較強(qiáng)，所以，可以被運(yùn)用到一些情況比較特殊的施工條件中。另外，由于FRP復(fù)合材料在耐久性方面較強(qiáng)，所以，在土木工程中使用可以提升結(jié)構(gòu)使用壽命，最大限度地減少結(jié)構(gòu)在后期中的維護(hù)次數(shù)[1]。

1.3 自重性

FRP復(fù)合材料主要由纖維構(gòu)成，其特性往往受到纖維材料的影響。因此，在土木工程施工中，要從材料運(yùn)用出發(fā)，最大限度地控制好成本，在節(jié)約施工周期的基礎(chǔ)上提升施工質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 其他性能

就FRP復(fù)合材料來講，在使用方面存在著一定的不足，如在生產(chǎn)工作中使用FRP復(fù)合材料需要較多的工序，加之制造工藝方面較為煩瑣，所以在一定程度上增加了成本[2]。

2 土木工程中運(yùn)用FRP復(fù)合材料的意義

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型材料逐漸進(jìn)入土木工程市場(chǎng)中，滿足了社會(huì)發(fā)展的需求。FRP復(fù)合材料中涉及芳綸、碳纖維等，在混合后進(jìn)行加工處理能夠形成獨(dú)特性較強(qiáng)的材料。所以對(duì)比其他材料可以看出，F(xiàn)RP復(fù)合材料有著強(qiáng)度高與質(zhì)量好等特點(diǎn)，并逐漸被運(yùn)用到土木工程施工中，成為施工中的重點(diǎn)。在二十世紀(jì)五六十年代，F(xiàn)RP復(fù)合材料已經(jīng)被運(yùn)用到了民用建筑中，我國則是在20世紀(jì)50年代末期用玻璃纖維替代鋼筋，不僅提升了施工效果，同時(shí)也滿足了工序開展要求。所以在土木工程中，就要發(fā)揮出FRP復(fù)合材料的作用，實(shí)現(xiàn)加固處理目標(biāo)、提高工程質(zhì)量的目的。目前，復(fù)合材料已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成之一，尤其是對(duì)于汽車工業(yè)與制作工藝等來講，均是在復(fù)合材料的運(yùn)用基礎(chǔ)上來進(jìn)行的。所以在工程施工中，要做好研究工作，明確施工重點(diǎn)，確保復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)效果。尤其是對(duì)于土木工程來講，由于FRP復(fù)合材料在補(bǔ)強(qiáng)與加固方面作用比較明顯，所以在施工中施工人員可以借助FRP復(fù)合材料來提升構(gòu)件受力性能。首先，在使用FRP復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時(shí)，主要表現(xiàn)為在混凝土柱纏繞加固，提升柱加固效果，在保證結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的同時(shí)提升結(jié)構(gòu)抗剪性。其次，梁、板與橋梁跨度中使用FRP復(fù)合材料有著加固補(bǔ)強(qiáng)的作用，尤其是對(duì)于比較老舊的材料來講，都可以使用FRP復(fù)合材料進(jìn)行處理，提升構(gòu)件抗彎能力，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫延伸等問題[3]。

3 FRP復(fù)合材料在土木工程中的運(yùn)用現(xiàn)狀

3.1 超負(fù)荷運(yùn)行

對(duì)于土木工程來講，有著復(fù)雜程度高與持續(xù)性較長(zhǎng)的特點(diǎn)，所以在施工中就要從具體工藝技術(shù)與施工材料出發(fā)，確保施工的合理性。但是受到土木工程功能性要求的影響，涉及較多的使用材料。同時(shí)，結(jié)合具體標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場(chǎng)中增設(shè)小型化移動(dòng)基站，可以確保整個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。但是在使用FRP復(fù)合材料以后，很容易增加施工現(xiàn)場(chǎng)在材料管理方面的工作量。最后，在施工現(xiàn)場(chǎng)中相關(guān)設(shè)備很容易出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，但是在FRP復(fù)合材料的使用下，則可以代替大部分材料，不僅優(yōu)化了整個(gè)施工過程，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效管理，提升了現(xiàn)場(chǎng)工作的效果。

3.2 行業(yè)消耗材料較多

就目前的土木工程市場(chǎng)來講，在施工材料方面表現(xiàn)出了消耗量較大的現(xiàn)象，在一定程度上增加了材料浪費(fèi)與施工成本，甚至還會(huì)對(duì)土木工程的功能性產(chǎn)生影響。同時(shí)，在后期使用中很容易出現(xiàn)磨損、變形等問題，嚴(yán)重的還會(huì)影響到行業(yè)的發(fā)展。最后，在建筑工程施工中，涉及總包與分包之間的矛盾，從而限制了工程的開展。所以，在現(xiàn)階段發(fā)展中想要提高土木工程建設(shè)質(zhì)量，就要堅(jiān)持從發(fā)展角度出發(fā)，展現(xiàn)FRP復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)[4]。

4 FRP復(fù)合材料在土木工程中的運(yùn)用

4.1 加固工程

就FRP復(fù)合材料來講，主要以纖維材料混合為主，所以在材料強(qiáng)度等方面有著一定的優(yōu)勢(shì)。目前在土木工程建設(shè)中FRP復(fù)合材料主要以加固使用為主，且在FRP復(fù)合材料的使用下能夠提升土木工程的質(zhì)量與安全。從不同類型來講，F(xiàn)RP復(fù)合材料主要以鋼架結(jié)構(gòu)、土石結(jié)構(gòu)及混凝土材料工程等為主。尤其是對(duì)于混凝土材料來講，已經(jīng)成為土木工程建設(shè)中比較普遍的項(xiàng)目。所以，在混凝土材料中就要做好FRP復(fù)合材料的使用工作，實(shí)現(xiàn)加固施工目標(biāo)，通過在混凝土材料外層借助FRP復(fù)合材料進(jìn)行纏繞，能夠有效提升材料的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以滿足在變形、壓力與地震等方面的要求，確?；炷敛牧辖Y(jié)構(gòu)的承載力。同時(shí)，在施工過程中還可以將FRP復(fù)合材料運(yùn)用到梁、板等位置上，確?；炷两Y(jié)構(gòu)具備抗彎曲能力，避免因外力作用而出現(xiàn)裂縫等。所以，F(xiàn)RP復(fù)合材料的使用能夠避免混凝土結(jié)構(gòu)在后期施工與使用中出現(xiàn)問題，確保整體的安全性，但是也應(yīng)當(dāng)要明確的是，F(xiàn)RP復(fù)合材料的使用難以從根源上解決拉力問題。加之FRP復(fù)合材料的筋中含有大量纖維成分，所以在強(qiáng)度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)材料，加之其在抗腐蝕性方面相對(duì)較強(qiáng)，因此FRP復(fù)合材料運(yùn)用到鋼筋中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼筋材料的保護(hù)，提升材料的防腐蝕性，避免在材料運(yùn)用后期出現(xiàn)質(zhì)量問題及成本增加等問題。

4.2 FRP筋索與預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)

就FRP筋來講，有著纖維占比較高的特點(diǎn)，所以通過對(duì)比可以看出，其比傳統(tǒng)鋼筋材料性能更好。通過將FRP復(fù)合材料附著在鋼筋表面，可以確保鋼筋表面不被腐蝕，降低維修成本。因此在橋梁建設(shè)中為保證FRP索的預(yù)應(yīng)力，就可以借助懸索橋等來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。同時(shí)，為提升混凝土黏結(jié)性，可以從不同方式出發(fā)，確保黏度的有效提升。第一，雖然FRP筋與混凝土之間有著黏結(jié)性不足的特點(diǎn)，但通過對(duì)其表面進(jìn)行處理，能夠有效提升黏結(jié)性。第二，力學(xué)性已經(jīng)成為了構(gòu)件中的重要特點(diǎn)之一，加之其彈性較高脆性不足，所以就要做好受力性能對(duì)比工作，確保使用的合理性[5]。

4.3 FRP復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)

FRP復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)在性能方面有了明顯的提升，同時(shí)也融合了不同類型的特點(diǎn)，展現(xiàn)了性能方面的互補(bǔ)性與優(yōu)勢(shì)，打造出了全新的結(jié)構(gòu)體系，所以說FRP復(fù)合材料作為土木工程發(fā)展中的重要材料之一，就要做好研究工作，保證結(jié)構(gòu)形式的豐富性，實(shí)現(xiàn)廣泛運(yùn)用的目標(biāo)。第一，F(xiàn)RP管混凝土。對(duì)于FRP管混凝土來講，就是借助填充的方式來滿足要求的結(jié)構(gòu)組件。一般來說，這種組件能夠提升對(duì)混凝土的約束力，確保施工速度的合理性。加之混凝土結(jié)構(gòu)件在耐用性方面相對(duì)較強(qiáng)，所以在運(yùn)用范圍上比較廣泛，通過對(duì)這一結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行分析可以看出，在管中填充混凝土可以提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與負(fù)載能力，降低自身重量。第二，F(xiàn)RP-鋼管-混凝土組合構(gòu)件。在整體結(jié)構(gòu)件中安裝空心鋼管，然后使用混凝土進(jìn)行填充，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)鋼筋的目標(biāo)，在約束混凝土的基礎(chǔ)上形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提升變形性能與承載力。第三，F(xiàn)RP-凝土組合梁。就FRP-凝土組合梁來講，主要是借助混凝土施加壓力來實(shí)現(xiàn)組合目標(biāo)。且在這種組合結(jié)構(gòu)中能夠展現(xiàn)FRP復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，加之其在材質(zhì)方面相對(duì)較強(qiáng)，可以被運(yùn)用到永久性模板中，滿足后期施工要求。第四，CFEP-鋁合金組合構(gòu)件。在設(shè)計(jì)這一構(gòu)件時(shí)，要將FRP運(yùn)用到外表面中，以此來提升耐腐蝕性，解決FRP脆性較大且難以連接的問題。第五，F(xiàn)RP-木組合構(gòu)件。就纖維構(gòu)造形式來講，就是要FRP與木材進(jìn)行組合，轉(zhuǎn)變受力特點(diǎn)，提升抗火能力。在兩者組合以后，可以提升力學(xué)性能及環(huán)節(jié)負(fù)載壓力，不僅降低了成本支出，同時(shí)也有廣泛的運(yùn)用空間。

4.4 FRP復(fù)合材料在橋梁中的運(yùn)用

國外針對(duì)FRP復(fù)合材料的研究起步相對(duì)較早，所以我國在橋梁工程建設(shè)中可以借鑒國外先進(jìn)技術(shù)與理念，結(jié)合我國橋梁特點(diǎn)，做好FRP復(fù)合材料的使用工作，由于橋梁施工一般以環(huán)境比較惡劣的地區(qū)為主，所以在施工現(xiàn)場(chǎng)中很容易出現(xiàn)安全事故，究其原因就是所使用的材料難以應(yīng)對(duì)極端環(huán)境的變化。但是對(duì)于FRP復(fù)合材料來講，其具備大部分纖維所具備的特點(diǎn)：第一，柔韌性較強(qiáng)。在加工中可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境定制不同的構(gòu)件形狀，并運(yùn)用到特殊部位中。第二，設(shè)計(jì)人員也可以在原定設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上結(jié)合具體需求粘貼多層纖維。第三，在施工現(xiàn)場(chǎng)中吊裝FRP復(fù)合材料的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，加之承受力值小，所以在施工便捷程度方面較高，可以在最短時(shí)間內(nèi)保質(zhì)完成施工要求。且在整個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)中沒有濕作業(yè)與現(xiàn)場(chǎng)固定等。第四，所占據(jù)的場(chǎng)地相對(duì)較少，能夠?qū)?duì)周邊環(huán)境的影響降至最低，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)環(huán)境的不利影響。所以說在FRP復(fù)合材料的使用下，可以提升橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。另外，F(xiàn)RP復(fù)合材料還具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在加固后并不會(huì)產(chǎn)生過多的荷載，所以在使用空間方面并不會(huì)因?yàn)榧庸烫幚矶l(fā)生變化。

4.5 FRP加固與鋼筋混凝土柱的地震行為

受到巨大側(cè)向周期地震力能的影響，很容易對(duì)混凝土、加強(qiáng)筋的強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響，嚴(yán)重的還會(huì)造成柱體發(fā)生損壞等，所以對(duì)受過地震的柱體構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)已經(jīng)成為近期的任務(wù)，同時(shí)也是挑戰(zhàn)性較大的任務(wù)。由于FRP復(fù)合材料有著約束的作用，所以對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行翻新能夠有效提升其抗震性，甚至可以說FRP復(fù)合材料的使用能夠提升鋼筋混凝土柱體結(jié)構(gòu)的延展性，加之在變向循環(huán)荷載作用下，修復(fù)柱體的退化率發(fā)生明顯變化，所以說外部加固程度影響到了軸向荷載水平與損傷情況。

4.6 優(yōu)化FRP復(fù)合材料

在土木工程中使用FRP復(fù)合材料以前，需要及時(shí)對(duì)材料本身的情況進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也要做好改進(jìn)工作，最大限度地提升復(fù)合材料的性能，從而滿足人們對(duì)建筑工程的品質(zhì)要求。所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí)，要結(jié)合復(fù)合材料特點(diǎn)，優(yōu)化研究工作。由于對(duì)FRP復(fù)合材料尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以很容易造成土木工程施工中難以確定適合的FRP復(fù)合材料。要做好技術(shù)創(chuàng)新工作，尤其是對(duì)于FRP復(fù)合材料的生產(chǎn)來講，就要做好技術(shù)創(chuàng)新研究工作，最大限度地提升FRP復(fù)合材料的性能，同時(shí)還要及時(shí)對(duì)施工技術(shù)進(jìn)行研究，明確FRP復(fù)合材料的未來發(fā)展方向。最后，要引入環(huán)保理念，確保FRP復(fù)合材料能夠滿足生態(tài)發(fā)展要求，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展目標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，在土木工程建設(shè)中要做好FRP復(fù)合材料的使用工作，結(jié)合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，在完善制作工藝的技術(shù)上控制成材料成本。同時(shí)還要結(jié)合土木工程行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，選擇適合的使用技術(shù)，加大對(duì)FRP復(fù)合材料的研究力度，確保使用的合理性，提升土木工程建設(shè)質(zhì)量。

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