FRP材料與海砂混凝土組合應(yīng)用的研究現(xiàn)狀綜述

王 瑋 (安慶市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 安慶 246003）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)的建設(shè)量隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展不斷增加，混凝土作為主要的建筑材料其使用量也隨之激增?；炷翆儆诙渭庸ぎa(chǎn)品，是以水泥為膠凝材料，通過(guò)與水、砂、石子拌合而成。根據(jù)百年建筑網(wǎng)的數(shù)據(jù)[1]，2019年1到6月全國(guó)商品混凝土總產(chǎn)量達(dá)到了11.85億m3，同比去年增加14.8%。目前建筑用砂采用的多為河砂，混凝土需求量的激增直接導(dǎo)致我國(guó)沿海區(qū)域城市河砂產(chǎn)量匱乏的問(wèn)題。參考日本等沿海國(guó)家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建筑行業(yè)將目光轉(zhuǎn)向了海砂資源。與河砂相比，海砂具備粒度均勻、水泥含量低等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的建筑材料[2]。此外，我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)蜿蜒，長(zhǎng)度達(dá)到1.8萬(wàn)km，擁有極其豐富的海砂資源。根據(jù)王圣潔等[3]的估算，我國(guó)近海的海砂總量約為68×103m3，因此沿海區(qū)域使用海砂來(lái)代替河砂作為建筑材料在產(chǎn)量和含量上是完全可行的。

在日本、荷蘭等沿海發(fā)達(dá)國(guó)家，海砂早在20世紀(jì)初就已經(jīng)被開(kāi)發(fā)利用，日本在80年代的海砂用量就已經(jīng)占到總用砂量的30%以上了，現(xiàn)在已達(dá)到80%～90%[4]。當(dāng)下限制海砂在工程中大量應(yīng)用的主要因素是其含有能夠腐蝕鋼筋的氯離子，會(huì)對(duì)建筑物的耐久性造成不利影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了通過(guò)海砂淡化、使用阻銹劑等手段來(lái)預(yù)防鋼筋的銹蝕[5]，取得了一些成效。目前國(guó)內(nèi)使用較多的是海砂淡化法，但是由于監(jiān)管不嚴(yán)等問(wèn)題，大量未經(jīng)淡化的海砂流入了建材市場(chǎng)，我國(guó)沿海區(qū)域出現(xiàn)了大量使用不合格海砂建造的房屋，給國(guó)家和人民造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6]。這也表明上述手段都是治標(biāo)不治本的方法，要想從根本上杜絕鋼筋銹蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，必須使用不會(huì)發(fā)生銹蝕的材料來(lái)代替鋼筋。隨著材料行業(yè)的快速發(fā)展，新的建筑材料不斷涌現(xiàn)，為徹底解決海砂混凝土構(gòu)件中鋼筋的腐蝕問(wèn)題提供了新的可能。例如，近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于土木行業(yè)的新型復(fù)合纖維增強(qiáng)材料（FRP），且具備輕質(zhì)，高強(qiáng)度，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，將FRP材料與海砂混凝土組合應(yīng)用可有效保證結(jié)構(gòu)的耐久性[7]，徹底解決海砂混凝土構(gòu)件中鋼筋的腐蝕問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)正在實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，需要修建大量的海上建筑物。這與FRP材料與海砂混凝土組合構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)不謀而合，海砂與海水可以直接從海洋中直接獲取，成本低，且能夠滿(mǎn)足海上建筑物的耐腐蝕性要求，應(yīng)用前景廣闊。

2 FRP材料國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由高性能纖維與基體按一定比例并經(jīng)過(guò)一定工藝復(fù)合形成的一種高性能新型材料。工程中常用的FRP材料主要包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和芬綸纖維（AFRP）等[8]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP材料的研究集中于力學(xué)性能、耐疲勞性能和耐腐蝕性能三個(gè)方面。本文從這三個(gè)方面對(duì)FRP材料的研究進(jìn)展展開(kāi)綜述。

2.1 力學(xué)性能

在力學(xué)性能方面，朱虹等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了AFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度，建立了AFRP筋的松弛率計(jì)算公式。趙謙等[10]人通過(guò)對(duì)不同比例混雜的碳纖維筋與玻璃纖維筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定了不同比例混雜筋材的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)特性。曹曉峰等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究了玄武巖纖維（BFRP）的力學(xué)性能，結(jié)果表明BFRP筋材的抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量約為普通鋼筋的1/4，抗剪強(qiáng)度僅略小于鋼筋的抗剪強(qiáng)度。

2.2 耐疲勞性能

在耐疲勞性能方面。劉傳樂(lè)等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力CFRP筋的耐疲勞性能，結(jié)果表明CFRP筋在200萬(wàn)次等疲勞加載后仍未發(fā)生破壞，由此證明了CFRP筋耐疲勞性能的優(yōu)越。謝桂華等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同溫度和應(yīng)力水平下FRP材料的耐疲勞性能變化規(guī)律，結(jié)果表明FRP材料耐疲勞性能受溫度的影響程度要高于應(yīng)力條件。龔其豐等[14]通過(guò)數(shù)值模擬研究了FRP筋混凝土界面在疲勞荷載作用下的粘接性能，得到了錨固長(zhǎng)度、應(yīng)力水平以及應(yīng)力幅值等參數(shù)對(duì)CFRP筋在混凝中的粘結(jié)疲勞壽命的影響規(guī)律。孫理想[15]等研究了疲勞荷載作用下FRP筋混凝土構(gòu)件的裂縫發(fā)展規(guī)律，引入了疲勞荷載作用下FRP筋混凝土構(gòu)件的計(jì)算公式，結(jié)果表明FRP筋混凝土在疲勞荷載作用下內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，影響筋體與混凝土之間的粘接性能。

2.3 耐腐蝕性能

在耐腐蝕性能方面。董志強(qiáng)等[16]對(duì)處于不同溫度和腐蝕條件下的碳纖維和玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋耐腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明隨著溶液溫度的提升，BFRP筋的抗拉強(qiáng)度急劇下降。李趁趁[17]等通過(guò)試驗(yàn)研究了堿性條件對(duì)GFRP筋和BFRP筋拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、剪切強(qiáng)度以及破壞形態(tài)等的影響，結(jié)果顯示堿性溶液降低了GFRP筋的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，降低了BFRP筋的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量和剪切強(qiáng)度。吳剛等[18]針對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合筋材（BFRP筋）在堿性環(huán)境中的耐腐蝕性能和腐蝕機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)變量包括樹(shù)脂基體種類(lèi)、堿性環(huán)境類(lèi)別、腐蝕齡期等。

3 海砂混凝土國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，在我國(guó)沿海區(qū)域的城市，淡化海砂也被廣泛用作建筑用砂，緩解了該類(lèi)區(qū)域建筑用砂緊缺的現(xiàn)狀，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。在海砂混凝土研究的方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要著重于對(duì)海砂淡化方法、海砂高性能混凝土及海砂混凝土耐久性這三個(gè)方面的研究。

3.1 海砂混凝土淡化技術(shù)

國(guó)外很多沿海的發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、英國(guó)等很早就開(kāi)始進(jìn)行對(duì)海砂進(jìn)行淡化處理后再利用。其中，日本是世界上淡化海砂使用量最大的國(guó)家，其對(duì)海砂進(jìn)行淡化的手段主要包括自然放置、淡水沖洗、浸泡以及生物方法等。早在20世紀(jì)90年代，我國(guó)的趙毛媛等[19]就探索了利用淡水沖洗對(duì)海砂進(jìn)行淡化的工藝流程，實(shí)踐證明經(jīng)淡水沖洗后的海砂中氯鹽、貝殼等不利因素的含量顯著下降。陳杰林等[20]的研究成果也表明對(duì)海砂進(jìn)行淡化能夠有效降低海砂的氯鹽含量和貝殼含量。湯奇岳等[21]發(fā)明了一種祛除海砂中氯化物、藻類(lèi)等有害物質(zhì)的新方法，能夠使得海砂轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ蒙埃页杀镜土?。由此看?lái)，海砂的淡化技術(shù)日趨成熟，未來(lái)對(duì)海砂淡化的成本還會(huì)進(jìn)一步降低。必須指出的是，海砂淡化后氯鹽等不利因素的含量要嚴(yán)格符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，避免“海砂屋”等現(xiàn)象的再次出現(xiàn)。

3.2 海砂高性能混凝土

史美鵬等[22]介紹了淡化海砂在寧波地區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究成果，提出了淡化海砂能夠滿(mǎn)足高強(qiáng)混凝土原材的要求的觀點(diǎn)。邢麗等[23]研究了氯鹽含量和貝殼含量對(duì)海砂混凝土和易性及強(qiáng)度的影響規(guī)律，結(jié)果表明氯鹽含量和貝殼含量對(duì)混凝土強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。劉偉等[24]對(duì)比了海砂混凝土和河砂混凝土在抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能的特點(diǎn)，指出在不考慮氯離子對(duì)混凝土鋼筋腐蝕的條件下，原狀海砂的使用效果完全等同于普通河砂。

3.3 海砂混凝土耐久性

殷惠光[25]通過(guò)試驗(yàn)研究了氯鹽侵蝕與長(zhǎng)期彎曲荷載共同作用下海砂混凝土梁和普通混凝土梁的耐久性變化規(guī)律，結(jié)論表明海砂混凝土梁相較于普通混凝土具備更高的剛度。張璐等[26]分析了海水對(duì)普通鋼筋的腐蝕機(jī)理，揭示了海砂對(duì)混凝土耐久性影響的規(guī)律。

4 FRP材料與海砂混凝土組合構(gòu)件

FRP作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，其可設(shè)計(jì)性靈活，目前FRP材料與海砂混凝土的組合已經(jīng)豐富多樣，主要包括FRP筋海砂混凝土結(jié)構(gòu)和FRP管海砂混凝土組合構(gòu)件[27]，本文主要對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹分析。

4.1 FRP筋海砂混凝土結(jié)構(gòu)

FRP筋具備輕質(zhì)、耐腐蝕強(qiáng)、抗疲勞性能強(qiáng)、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，使用FRP筋代替鋼筋用于海砂混凝土中，既可以發(fā)揮FRP筋的優(yōu)勢(shì)，也可以發(fā)揮海砂粒度均勻、水泥含量低的優(yōu)點(diǎn)。FRP筋既可以為箍筋，也可以為縱筋，也可以是兩種結(jié)合形成的鋼筋籠，其形式多變。李樹(shù)旺等[28]通過(guò)試驗(yàn)研究了BFRP筋海砂混凝土梁的受剪性能，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正了BFRP筋海砂混凝土抗剪承載力計(jì)算公式，為工程實(shí)踐提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。邢麗等[29]對(duì)8根GFRP筋海砂海水混凝土梁試件進(jìn)行壓力試驗(yàn)，結(jié)果表明GFRP海砂海水混凝土破壞前有明顯征兆，裂縫開(kāi)展充分，撓度非常大。

4.2 FRP管海砂混凝土組合構(gòu)件

FRP管海砂混凝土組合構(gòu)件是指以預(yù)制的FRP管為基礎(chǔ)，向管內(nèi)澆筑混凝土形成的組合構(gòu)件。FRP管能夠有效的對(duì)混凝土進(jìn)行約束，提高混凝土的強(qiáng)度和變形能力，同時(shí)能充當(dāng)模板，提高施工效率。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于FRP管混凝土，涉及到施工過(guò)程中FRP管的受力特性[30]、FRP管中纖維材料的種類(lèi)[31]、抗震性能[32]等。使用海砂混凝土代替普通混凝土形成的FRP管海砂混凝土組合構(gòu)件與FRP管普通混凝土構(gòu)件受力機(jī)理幾乎相同，故以往對(duì)于FRP管混凝土研究的相關(guān)結(jié)論可快速推廣至FRP管海砂混凝土領(lǐng)域，加快FRP管海砂混凝土在實(shí)際工程中的運(yùn)用。

5 結(jié)論與展望

FRP材料具備抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好以及抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP材料研究的不斷深入，F(xiàn)RP材料在海上等腐蝕性強(qiáng)的地區(qū)擁有不可估量的未來(lái)。

FRP材料海砂混凝土的研究能夠解決沿海地區(qū)河砂匱乏的問(wèn)題，同時(shí)徹底解決了當(dāng)下海砂混凝土中鋼筋銹蝕等技術(shù)難題，符合國(guó)家綠色發(fā)展的大方向。加速海洋建設(shè)開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)的重點(diǎn)戰(zhàn)略方向之一，這為海砂混凝土的發(fā)展提供了一個(gè)良好的契機(jī)。FRP材料與海砂混凝土的組合能夠解決海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)中所面臨的的各項(xiàng)技術(shù)難題，是今后海砂混凝土發(fā)展的一個(gè)重要方向。