GFRP管混凝土的材料性能研究

侯軍強

(涿州市交通運輸局)

1 GFRP的性能

在FRP復合材料中，最常用的增強材料是碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。玻璃纖維 GFRP(Glass fiber reinforced plastic)應用最廣。GFRP是用玻璃纖維增強的塑料，即我們平常所說的“玻璃鋼”。

復合材料是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態的組合，通過復合手段形成的一種多相材料。由基體相、增強相和界面相組成。FRP(Fiber reinforced plastic)即纖維增強塑料，是目前技術比較成熟且應用最廣泛的一種復合材料。它是由短切的或連續的纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹脂基體復合而成。其中，纖維為增強材料，它均勻地分散在基體之中，使基體材料的強度增長，起著最主要的承載作用;而基體材料的作用是把纖維粘結成一個整體，保持纖維間的相對位置，使纖維能協同作用，并保證纖維免受化學腐蝕和機械受損，減小環境的不利影響。同時，它還可以傳遞和承受剪應力，在垂直纖維方向承受拉、壓受力。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是纖維增強材料中用的最普遍的一種。它是由熔化的玻璃液以極快的速度拉成細絲。其截面呈圓形，根據需要可制成連續纖維或短纖維(0.6～60 mm)。也可用玻璃纖維織成平紋、斜紋、單向布，供不同用途的需要。玻璃纖維的最大特點是強度高、耐高溫、耐腐蝕、隔熱性能好，但質脆、易折斷，延伸率小。

一般玻璃很脆，強度低，但拉成細絲后其抗拉強度比高強鋼材還高出兩倍。纖維愈細，強度愈高。這是由于玻璃纖維的強度在很大程度上取決于纖維的表面狀態，即與纖維表面裂紋等缺陷的大小、數量有關。與塊狀玻璃或粗纖維相比，細纖維表面缺陷減小，因此纖維愈細，強度愈高。

化學成分對纖維性能影響很大。普遍規律是，玻璃纖維含堿量(Na2O、K2O)愈高，強度愈低。這是因為纖維表面缺陷隨含堿量的增加而增多。玻璃纖維的主要成分是Si2O，其次是各種金屬氧化物。其中，E玻璃纖維強度高、延伸率大且成本低，是土木工程界使用最早用量最大的玻璃纖維。另外，由于玻璃纖維價格便宜，強度較高，工藝成熟等特點，比較適合我國國情。

E玻璃的物理力學性能為:拉伸強度為3 400 MPa，拉伸彈性模量為71 000MPa，延伸率為3.37%，密度為2.55 t/m3。

1.2 樹脂

GFRP的基體一般采用不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂。其中環氧樹脂是最好的基體材料。它具有很多優點:粘結力大、工藝簡單、固化后收縮小，硬度、強度和模量也比較高，但由于其價格貴、粘稠度大等原因，目前仍不是作為基體的首選材料。

2 GFRP管混凝土與鋼筋混凝土的力學性能

鋼管混凝土結構在土木工程中的應用已有百年以上的歷史。由于它優越的力學性能，一開始就受到歐美各國工程師的重視。隨著泵送混凝土工藝的發展，鋼管混凝土又悄然興起。目前鋼管混凝土的理論和應用已相當成熟，而GFRP管混凝土則還是一種新興的組合結構。但是兩種結構有許多相似性，所以GFRP管混凝土的研究可以借助鋼管混凝土的成功經驗。

2.1 鋼管混凝土的力學性能

高強混凝土與鋼管共同承壓是一種完美的組合。鋼管為混凝土提供了強有力的側限，約束了它的橫向變形，使它由單向受力變成三向受力;管內的混凝土又為鋼管提供強有力的內部支撐，避免了鋼管的局部翹曲，兩者互相利用，互相支持，使這種組合結構承載力得以提高，延性得以改善。

鋼管混凝土在工程中得到廣泛應用，其原因有以下點。(1)鋼管本身就是模板，澆筑混凝土省去了支撐模板之役;(2)鋼管本身就是鋼筋，它兼有縱向受力筋和橫向箍筋的雙重功能;(3)鋼管對核心混凝土的套箍作用，能有效地克服高強混凝土的脆性;(4)核心混凝土對鋼筋提供了有效地內部支撐，避免了鋼管的屈曲。

鋼管混凝土受壓時，核心混凝土的受力特點是:側向壓力是被動的，且隨縱向壓力的增大而增大。在鋼管混凝土受力初期，鋼管和混凝土按剛度比承重荷載，如果忽略二者界面上的粘結力，可認為混凝土單向受壓狀態。隨著混凝土應力的增加，如果其橫向變形，超過了鋼管的橫向變形，混凝土會受到鋼管的緊箍力，核心混凝土由單向受壓發展到三向受壓。

2.2 GFRP管混凝土的力學性能

GFRP管混凝土的基本工作原理是GFRP管對核心混凝土施加約束作用，使其在緊箍力作用下處于三向受力狀態，從而提高其承載力及其延性。

(1)GFRP管對核心混凝土產生緊箍效應，對GFRP管混凝土受力性能產生重要影響:抗壓強度大大提高，由脆性材料轉變為塑性材料，增強混凝土抗剪能力;GFRP管借助內填混凝土支撐，增強了幾何穩定性。兩種材料互相取長補短，得到了最完美的組合。

(2)核心混凝土GFRP管包裹，處于密封狀態，水分不會散失，收縮變形小。

(3)核心混凝土處于三向應力狀態，軸向徐變減小。

(4)先預制GFRP管，再在其中填注混凝土，較外纏混凝土柱結合密實，具有較高的約束效果。

2.3 GFRP管混凝土與鋼管混凝土對比優勢

(1)鋼管混凝土之所以能在工程上廣泛應用是因為兩種材料發揮了各自的優勢，揚長避短，GFRP也同樣具有這種優勢。

(2)鋼管混凝土在施工過程中，鋼管本身就是模板，在使用過程中，它又參與受力;GFRP也同樣具有這種功能，但鋼管易生銹，GFRP管抗腐蝕性能強。

(3)鋼管混凝土在地震中表現出良好的延性:GFRP盡管是脆性材料，但它和混凝土組合成的復合材料也同樣具有很好的延性，而且效率更高。

(4)隨著社會的發展，鋼管的取材越來越困難，而GFRP具有明顯地資源優勢，符合可持續發展的思路。

(5)鋼管混凝土的理論研究已經成熟，而GFRP的研究正處于起步階段。