FRP材料在土木工程中的運(yùn)用分析

鄧 毓

(江西省教育國際合作與教師發(fā)展中心，江西 南昌 330000)

在各種新技術(shù)以及新材料的強(qiáng)力支撐下，我國土木工程建設(shè)水平近幾年得到了大幅度提高，而在眾多技術(shù)以及材料當(dāng)中，F(xiàn)RP屬于一個(gè)典型代表，其在推動(dòng)土木工程建設(shè)效率和質(zhì)量不斷提高方面發(fā)揮出了重要作用，目前來看，其具備著非常高的應(yīng)用價(jià)值以及廣闊的發(fā)展前景。由于FRP材料具備較為良好的高強(qiáng)度、高剛性、高抗腐蝕性以及密度低等特性，所以逐漸成為我國航天航空、建筑行業(yè)以及海洋運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域當(dāng)中較為廣泛應(yīng)用的材料，對(duì)其在土木工程中的合理運(yùn)用做出研究，有助于推動(dòng)我國土木工程行業(yè)不斷向好發(fā)展。

1 FRP材料簡述

1.1 概念分析

對(duì)于FRP材料而言，又可以稱之為“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料”，按照定義來看，主要指的是由兩種或者是兩種以上不同物質(zhì)通過科學(xué)合理的材料設(shè)計(jì)以及人工合成等得到的具備一些新的優(yōu)越性能的一種多相固體材料，一般情況下，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的基本組成成分有效劃分為兩大內(nèi)容，即基體材料以及增強(qiáng)材料。通俗來講，F(xiàn)RP材料指的便是一種經(jīng)由高強(qiáng)度的玻璃纖維以及樹脂基體有效復(fù)合而成的具備良好功能性以及結(jié)構(gòu)性的新型復(fù)合材料[1]。

這種材料最早誕生于20世紀(jì)30年代的美國，進(jìn)入到40年代后開始廣泛應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，例如：海軍以及空軍武器裝備等方面，進(jìn)入到50年代之后，此種材料開始在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，并且得到了快速的發(fā)展。

由于部分FRP制品擁有著類似玻璃的觀感以及鋼的力學(xué)性能，所以在國內(nèi)也將這些制品稱作是“玻璃鋼”，在其組成成分當(dāng)中，玻璃纖維負(fù)責(zé)提供材料的強(qiáng)度以及剛性，而相應(yīng)的樹脂基體則負(fù)責(zé)提供材料的耐化學(xué)性以及韌性等。

1.2 特點(diǎn)分析

FRP材料具備的特點(diǎn)大體上可以分為以下幾點(diǎn)：一，比強(qiáng)度高以及比模量大；二，材料具備良好的可設(shè)計(jì)性；三，抗腐蝕性以及耐久性能優(yōu)越；四是熱膨脹系數(shù)大體上與混凝土相近等。由于這些特點(diǎn)的存在，使得FRP材料可以充分滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)不斷向著大跨、輕質(zhì)高強(qiáng)、高聳以及重載等方向發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，也可以切實(shí)滿足現(xiàn)代建筑施工工業(yè)化發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，所以FRP材料開始廣泛應(yīng)用于土木工程項(xiàng)目當(dāng)中，并且取得了令人滿意的應(yīng)用效果。

2 FRP材料在土木工程當(dāng)中具備的優(yōu)勢分析

2.1 FRP材料的可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢

在將FRP材料當(dāng)做一種結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行應(yīng)用的過程中，因?yàn)镕RP材料屬于基體材料以及增強(qiáng)材料等各種組分材料的一種物理組合材料，所以性能方面不但能夠有效保持原組分材料的部分特點(diǎn)，同時(shí)還可以發(fā)揮出組合之后的一些新特性，并且能夠結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際需求開展設(shè)計(jì)工作，從而可以滿足單一材料難以達(dá)到的某些性能要求。

2.2 FRP材料的比強(qiáng)度以及比剛度優(yōu)勢

部分FRP材料，例如，碳纖維T300以及環(huán)氧5208等材料實(shí)際比強(qiáng)度能夠達(dá)到鋁材的6.3倍以及鋼的5倍，其實(shí)際比剛度能夠達(dá)到鋁材的4.16倍，所以在土木工程當(dāng)中合理應(yīng)用FRP材料可以有效縮短工期，并且能夠降低工程建設(shè)的復(fù)雜性。

2.3 FRP材料的抗疲勞優(yōu)勢

對(duì)于一般的金屬來講，其疲勞強(qiáng)度大約為拉伸強(qiáng)度的45%左右，而對(duì)于FRP材料而言，疲勞強(qiáng)度能夠達(dá)到自身拉伸強(qiáng)度的75%左右。

2.4 FRP材料的抗化學(xué)反應(yīng)優(yōu)勢以及抗化學(xué)腐蝕優(yōu)勢

土木工程當(dāng)中采用的傳統(tǒng)建材，例如，鋼筋等材料一般不耐腐蝕，特別是一些近海工程當(dāng)中，這些材料比較容易與項(xiàng)目周圍的空氣、污水或者是海水當(dāng)中的一系列化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而容易導(dǎo)致土木工程出現(xiàn)一定的質(zhì)量問題，甚至無法發(fā)揮應(yīng)有價(jià)值和作用導(dǎo)致其出現(xiàn)一些重大損失。而對(duì)于FRP材料來講，大多數(shù)材料都屬于較為優(yōu)良的一種電絕緣材料，借助這些材料制作的設(shè)備或者是構(gòu)件等通常都可以擁有非常好的耐酸、堿以及鹽等一系列化學(xué)介質(zhì)的侵蝕能力。

2.5 FRP材料的抗震優(yōu)勢

與傳統(tǒng)建材相比，F(xiàn)RP材料的自振頻率非常高，一般不會(huì)出現(xiàn)共振問題，同時(shí)在相同加載速度以及頻率下，通常不會(huì)出現(xiàn)由于共振而引發(fā)的快速脆斷問題。除此之外，由于FRP材料存在大量的界面，所以其震動(dòng)阻尼性也非常強(qiáng)，如果激起震動(dòng)，也能夠很快衰減。

2.6 FRP材料的過載安全優(yōu)勢

FRP材料存在著大量獨(dú)立的纖維，所以過載時(shí)FRP材料當(dāng)中即便出現(xiàn)了少量纖維斷裂，其中的載荷也可以快速地重新分配到一些其他未被損壞的纖維當(dāng)中，這樣可以避免由于土木工程中相應(yīng)構(gòu)件在瞬間失去承載能力而引發(fā)的斷裂問題出現(xiàn)。

2.7 FRP材料美學(xué)優(yōu)勢

FRP材料組內(nèi)當(dāng)中具備的材料纖維一般都是柔軟的，而且樹脂是能夠進(jìn)行流動(dòng)的，所以其產(chǎn)品的形狀通常都不會(huì)受限，并且能夠任意著色，這樣可以達(dá)到結(jié)構(gòu)型式以及材料美學(xué)之間的高度統(tǒng)一。

2.8 FRP材料的智能化優(yōu)勢

通過在土木工程當(dāng)中合理應(yīng)用智能纖維材料，還能夠促使建筑結(jié)構(gòu)有效獲取到一定的智能性。比如，美國曾經(jīng)有建筑設(shè)計(jì)師在建筑當(dāng)中借助智能復(fù)合材料打造出了梁，通過熱電控制技術(shù)，這種梁能夠像人體的肌肉纖維一般出現(xiàn)形狀以及張力方面的變化，這樣便可以結(jié)合建筑物實(shí)際受到的震動(dòng)情況合理有效改變梁固有的剛性以及固有振動(dòng)頻率，從而達(dá)到減小振幅的目的，可以促使框架結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用壽命得到有效延長，并且可以實(shí)現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)噪聲以及振動(dòng)方面的主動(dòng)控制。

3 FRP材料在土木工程中的運(yùn)用研究

3.1 在加固工程中的運(yùn)用

對(duì)于FRP材料而言，主要以纖維材料混合為主，因此，在材料強(qiáng)度等方面具備明顯的優(yōu)勢[2]。這也使得FRP材料目前被土木工程行業(yè)廣泛用于加固工程，其可以顯著提高土木工程的建設(shè)質(zhì)量以及安全性。依照類型來分，F(xiàn)RP材料主要應(yīng)用在土木工程當(dāng)中的混凝土材料、鋼架結(jié)構(gòu)以及土石結(jié)構(gòu)等。其中混凝土材料，目前在土木工程建設(shè)施工當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛，因此在混凝土材料當(dāng)中有必要做好FRP材料的應(yīng)用工作，以此來達(dá)到加固的目的。借助在混凝土材料外層開展FRP材料的纏繞工作，可以進(jìn)一步提升材料的穩(wěn)定性，并且能夠滿足變形、壓力以及地震等多個(gè)方面的要求，使得混凝土材料結(jié)構(gòu)具備良好的承載力。除此之外，在具體施工當(dāng)中，還能夠?qū)RP材料有效應(yīng)用到梁以及板等位置，這樣可以提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力，有效避免由于外力作用而導(dǎo)致的裂縫問題等。另外，由于FRP復(fù)合材料具備著較強(qiáng)的抗腐蝕性，所以可以將其運(yùn)用到鋼筋工程當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋材料的進(jìn)一步保護(hù)，增強(qiáng)其抗腐蝕性，這樣可以避免后期產(chǎn)生質(zhì)量問題或者是成本增加等相關(guān)問題。其具體加固領(lǐng)域如下。

一，梁體加固。借助環(huán)氧樹脂在一些待加固的相應(yīng)梁的外部開展鋼板結(jié)構(gòu)方面的粘貼作業(yè)。借助這種方式，可以有效增加梁自身的彎曲強(qiáng)度，大約15%左右，同時(shí)施工操作相對(duì)較為簡便。

二，柱體加固。主要在結(jié)構(gòu)表面借助FRP材料開展一定程度的纏繞。這樣能夠?qū)χw結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的封閉式的包裹作用，以此來形成一個(gè)有效的保護(hù)層，從而實(shí)現(xiàn)加固目標(biāo)。在實(shí)際施工過程中，如果柱體本身并不是圓柱體形狀，則要求施工人員先對(duì)柱體表面開展一定的處理工作。

三，混凝土板方面的補(bǔ)強(qiáng)加固。在借助FRP材料開展混凝土板方面的補(bǔ)強(qiáng)加固工作時(shí)，具體應(yīng)用策略與梁的方法基本一致。區(qū)別在于實(shí)際施工過程中，應(yīng)該將FRP材料有效貼在或者有效嵌入到混凝土板體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的受拉部位，以此來起到保護(hù)作用，避免混凝土板出現(xiàn)損毀以及破裂等相應(yīng)問題。

四，節(jié)點(diǎn)加固。對(duì)于節(jié)點(diǎn)來講，屬于土木工程當(dāng)中不同構(gòu)件之間的一個(gè)連接部位，所以其安全性良好與否可以對(duì)整個(gè)土木工程項(xiàng)目的使用性能以及安全性能產(chǎn)生重要影響，通過對(duì)FRP材料的應(yīng)用可以顯著提升節(jié)點(diǎn)部位的延展性，并且能夠促使節(jié)點(diǎn)承載力極限值得到顯著提高。所以可以有效提升土木工程的安全性以及穩(wěn)定性。

將FRP材料運(yùn)用到土木工程的鋼筋混凝土加固工程中，目前在我國土木工程實(shí)際項(xiàng)目中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，例如，上海寶山飛云橋以及南京大橋引橋等相應(yīng)橋梁當(dāng)中，都對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)用，以此來增強(qiáng)構(gòu)件的受力性能，促使橋梁使用壽命得以延長。

3.2 FRP筋的應(yīng)用

對(duì)于FRP筋而言，其具備著高強(qiáng)輕質(zhì)、工藝簡單以及耐腐蝕、良好的電磁絕緣性等特點(diǎn)，所以目前在FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)技術(shù)以及邊坡加固等多個(gè)方面有著較為廣泛的應(yīng)用。與普通鋼筋相比，表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，如果合理使用能夠在相應(yīng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中有效替代鋼筋或者是鋼索。

3.2.1 在盾構(gòu)技術(shù)中的應(yīng)用

由于FRP筋具備著耐久性好、易切割以及強(qiáng)度高等明顯優(yōu)勢，所以目前在地鐵車站盾構(gòu)技術(shù)當(dāng)中有著較為廣泛的應(yīng)用。具體應(yīng)用過程中，主要利用FRP筋替代以往的普通鋼筋，構(gòu)建成鋼筋混凝土維護(hù)結(jié)構(gòu)，其不但可以滿足維護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，切實(shí)保證盾構(gòu)機(jī)的順利通過，并且還可以減少鉆進(jìn)過程中維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀片造成的損傷。對(duì)于此方面的應(yīng)用，我國土木工程行業(yè)有著相對(duì)較多的應(yīng)用實(shí)例，例如，成都地鐵公司曾經(jīng)聯(lián)合西南交通大學(xué)開展了FRP人工挖孔樁維護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，非常成功地將其應(yīng)用到了成都地鐵一號(hào)線維護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。再如廣東佛山地鐵10標(biāo)段以及北京地鐵15號(hào)線都對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)用。通過這些實(shí)例驗(yàn)證，在實(shí)際切割過程中，維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)刀片沒有造成任何損傷，同時(shí)不但節(jié)約了成本，而且有效縮短了施工工期。

3.2.2 在邊坡加固中的應(yīng)用

由于FRP筋具備著較強(qiáng)的耐久性以及耐腐蝕性，所以在邊坡加固工程當(dāng)中用其替代鋼筋的應(yīng)用也較為廣泛。例如，209國道宣恩縣區(qū)域內(nèi)某路段當(dāng)中，由于右側(cè)上方邊坡高度達(dá)到了30m左右，而且坡度陡峭，相應(yīng)的地層巖性也為泥質(zhì)粉砂巖，具備強(qiáng)度低以及易風(fēng)化等特點(diǎn)，為了保證施工安全和順利開展，借助多層FRP錨桿進(jìn)行了加固，使得邊坡穩(wěn)定性得到了大幅度提升。

3.2.3 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

其目前在凍融以及高鹽堿地區(qū)有著較為廣泛的應(yīng)用，可以有效避免腐蝕問題對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損害，顯著減少了維護(hù)費(fèi)用，使得結(jié)構(gòu)使用壽命得以有效延長。

3.3 FRP材料組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

對(duì)于FRP材料組合結(jié)構(gòu)而言，其在性能方面呈現(xiàn)出了明顯的提升，并且融合了不同類型的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)性能方面的優(yōu)勢互補(bǔ)，可以構(gòu)建出全新的結(jié)構(gòu)體系。這對(duì)于土木工程建設(shè)和發(fā)展而言，都有著極為重要的價(jià)值和意義。

一，F(xiàn)RP管混凝土。主要指的是利用填充的方式來充分滿足建設(shè)要求的相應(yīng)結(jié)構(gòu)組件，通常情況下，這種組件可以顯著提高對(duì)混凝土的約束力，促使施工效率和質(zhì)量得以提高。其主要原理是在管中填充混凝土，借此提高結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力以及穩(wěn)定性，并且降低自身重量，具備著較強(qiáng)的耐用性，所以目前應(yīng)用范圍相對(duì)較為廣泛。

二，F(xiàn)RP鋼管混凝土組合構(gòu)件。主要指的是在整體結(jié)構(gòu)件當(dāng)中有效安裝空心鋼管，在此基礎(chǔ)上借助混凝土開展填充工作，以此來達(dá)到保護(hù)鋼筋的目的，其可以在有效約束混凝土的同時(shí)逐漸形成更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，顯著提高結(jié)構(gòu)的抗變形能力以及承載力。

三，F(xiàn)RP混凝土組合梁。其主要是借助混凝施加壓力，以此來達(dá)到組合的目的，這種組合方式可以充分展現(xiàn)FRP材料的優(yōu)勢，能夠被有效應(yīng)用到土木工程永久性模板當(dāng)中，并且充分滿足后期施工要求。

四，CFEP鋁合金組合構(gòu)件。在對(duì)此種組合進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要將FRP材料應(yīng)用到構(gòu)件外表面，這樣可以提升構(gòu)件耐腐蝕性，同時(shí)也可以解決FRP脆性較大以及難以有效進(jìn)行連接的問題。

五，F(xiàn)RP木組合構(gòu)件。主要指的是FRP材料與木材開展有機(jī)結(jié)合，這樣可以轉(zhuǎn)變受力特點(diǎn)以及增強(qiáng)抗火能力。通過兩者之間的有效組合，能夠提升力學(xué)性能，并且可以緩解負(fù)載壓力，同時(shí)還有助于降低成本支出。

4 結(jié) 語

綜上所述，本文針對(duì)FRP材料的概念及其特點(diǎn)作出了分析，由于其具備著耐腐蝕、高強(qiáng)輕質(zhì)等諸多優(yōu)勢特性，所以目前在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中都有著較為廣泛的應(yīng)用。將其運(yùn)用到土木工程建設(shè)當(dāng)中，不但有助于建設(shè)效率以及質(zhì)量的提高，同時(shí)也可以保證建設(shè)過程的安全性，有助于推動(dòng)土木工程行業(yè)實(shí)現(xiàn)健康長遠(yuǎn)的發(fā)展。相關(guān)企業(yè)有必要對(duì)其做出分析和探討，提高自身運(yùn)用的合理性，保證其在土木工程項(xiàng)目中發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值和作用。