FRP材料在混凝土結構中的研究與應用

馬 濱

蕪湖市建昌工程質量檢測中心有限公司

FRP材料在混凝土結構中的研究與應用

馬 濱

蕪湖市建昌工程質量檢測中心有限公司

加強纖維復合材料(FiberReinforcedPlastic，FRP)是工業中常用的復合材料，其具有耐久性好、抗腐蝕性強、比強度高、自重輕、抗拉強度高、熱膨脹系數接近混凝土、磁電屏蔽、施工方便和使用壽命比較長等優點，但是FRP的價格比較高，對FRP在混凝土中應用有很大的制約。隨著社會經濟的快速發展，FRP的市場競爭非常激烈，也推動了FRP技術的進步，FRP材料的價格大幅下降，在實際的混凝土施工過程中，FRP具有良好的經濟可行性，近年來在混凝土結構中的應用逐漸增多。本文就對其進行研究和分析。

FRP材料；混凝土結構；應用；加固

1　材料特性

FRP由于主要材料是各種纖維，因此其比重極小，與鋼材相比只占其1/6左右，在相同的直徑條件下，FRP的強度對重量比和剛度對重量比可達到鋼筋的十幾倍，由于這樣的特點，使得結構的布筋工作勞動強度大幅降低，節約人力成本，而且其輕質高強的特點也使得結構本身的自重大幅減輕，提高結構的抗震能力，尤其對于大跨度斜拉橋及各種懸索橋來說使用FRP有助于提高橋梁結構的極限跨徑，使建筑具有更大的設計空間，而且具有節材的特點。對于FRP來說其熱膨脹系數根據纖維的種類、纖維的含量以及基體樹脂的種類不同而有差異，一般來說，縱向熱膨脹系數與纖維有關，而橫向熱膨脹系數與樹脂有關，縱向熱膨脹系數往往低于橫向熱膨脹系數，而且，FRP的熱膨脹系數與混凝土十分接近，因此在溫度發生變化時，FRP與混凝土結構二者基本可做到同等幅度的膨脹和收縮，因此二者之間的粘接面基本不會受到破壞，確保了FRP與混凝土實現協同工作。然而，FRP也不是在各個方面均強于普通鋼筋，不同纖維成分的增強塑料筋的力學性能具有較大差別，且FRP本身屬于脆性材料，其拉伸應力與應變具有正比例關系，在材料達到抗拉強度極限之前不會如普通鋼筋那般產生塑性改變，因此不利于結構的安全性。

2　FRP材料在國內外的發展應用狀況

2.1國外發展及應用狀況

目前，國外科研機構和高等學校已對FRP加固修補混凝土結構，尤其是抗震動加固的性能與效果進行了大量的研究，并在此基礎上形成了自己的行業標準和規范。在瑞士EMPA實驗室，德國IBMB研究院，最早開始了不同的FRP材料加固混凝土結構的研究，并用于橋梁的補強加固工程。美國也是世界上最早利用復合材料的國家之一，但將FRP材料用于加固混凝土結構是在20世紀80年代后期，在1991年FRP應用于橋面板補強加固中。英國在1994年啟動了RORUST，用于研究FRP加固修復鋼筋混凝土橋梁和預應力橋梁。由于近20年的研究與實踐，這項技術在國外已近成熟，并形成了自己的設計和施工準則。目前，國外FRP在混凝土結構中的應用主要包括以下幾個方面：短纖維加入新混凝土中制成FPR混凝土用于新結構，已有一定的工程實例；用棒狀CFRP代替鋼筋制成CFRP筋混凝土，用于海洋結構及對電磁波有特殊要求的結構，國外已有研究并開始應用；把FRP加工成繩狀用于混凝土結構的拉索或懸索結構，但錨具問題尚未很好地解決；在新建結構中與混凝土一起制作成預制混凝土板，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等特點，已有部分工程應用。

2.2國內發展及應用狀況

我國在2003年由中國工程建設標準化協會推出了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS146：2003)，但我國在FRP材料加固混凝土結構中，研究受彎構件的較多，很多都是重復性實驗，研究內容大多集中在加固機理、加固方法與設計原則等內容；另外國內研究工作中多數為從事結構工程方面工作的。在研究過程中，沒有結合具有豐富復合材料研究經驗的人員，所以不能將先進的復合材料制造技術融入加固技術中，不能及時注意到加固中出現的復合材料性能的問題，也就不能充分發揮復合材料的優異性能。

3　FRP在混凝土結構中的應用

3.1抗剪抗彎加固

抗剪抗彎加固方法可以分為三類：FRP嵌入式加固技術、預應力加固和外包/外粘FRP混凝土結構加固技術。目前大部分研究都集中于外包/外粘混凝土加固技術，采用這種形式的加固技術主要有對梁和板使用FRP材料加固。

3.2砌體結構的加固

混凝土結構中砌體結構的地位比較重要，很多砌體結構的使用價值比較高。由于抗震標準和結構設計的提高、設計與施工隱患、設計基準期的接近以及人們對建筑物質量要求的提高，都對混凝土的耐久性、實用性及安全性提出了很高的要求，砌體結構需要進行維修和加固。FRP材料加固技術能適用于墻體承重能力不足及墻體開裂情況下的加固，還能避免傳統砌體結構加固過程中存在的不足。FRP材料加固技術具有空間利用率高、不會增加結構體積與自重、加固效果明顯、施工方便等優點。

3.3梁的加固

使用FRP材料加固梁的方法與傳統粘鋼加固方法基本相同，首先要打磨、整平混凝土表面，并進行清灰和干燥，保持混凝土表面平整、干凈。在梁的加固過程中，常采用非預應力FRP加固，這種方法施工簡單，不需要設備，工期也比較短，能提高修復加固的速度。根據鋼筋混凝土梁的加固形式不同，應采用不同的材料進行加固。

3.4復雜環境下的下部結構加固

由于自然環境的變化，復雜環境下的地下建筑結構出現抗力衰減和性能劣化的現象，由于地下環境比較復雜，并且條件比較惡劣，FRP材料的性能穩定，能解決復雜地下環境下結構的破壞，在實際的混凝土結構加固中有使用FRP對水下基礎進行加固的案例。

4　結語

綜述所述，在混凝土結構中對于工程的安全性和耐久性要求不斷提高的前提下，使用FRP來替代傳統的建筑材料，優勢明顯，具有非常廣闊的應用前景，相信隨著工程學科的不斷進步，這種復合材料在混凝土結構中會得到越來越廣泛的應用。

[1]王茂龍，朱浮聲，金延.纖維塑料筋(FRP筋)在混凝土結構中的應用[J].混凝土，2005，11：18-24.

[2]江學良，楊慧，孟茁超，毛妙.FRP在土木工程結構加固應用中的研究進展[J].科技導報，2010，18：111-117.