FRP混凝土柱力學性能研究現狀

何翔，姜景山，朱兆悅，王彥,孫遜，姜志煒，徐凱，陳佳龍，沈浪，彭真，顧葛杰，張恒

（南京工程學院 建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

1 FRP基本介紹

FRP是由增強纖維和建筑主體作為原材料并通過一定的制作加工處理形成的一種新穎材料。相較于鋼管混凝土柱等傳統工程材料，FRP具備更多的良好特性，包括比強度高，在極端條件下也不易被腐蝕，設計空間大且靈活。FRP主要分為兩大類：合成和天然兩種纖維增強復合材料。合成纖維增強復合材料有CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。天然纖維增強復合材料有FFRP和JFRP。目前得到廣泛應用的主要有GFRP、CFRP和AFRP。

2 FRP研究進展

2.1 人造合成纖維增強復合材料FRP的研究

人造合成纖維增強復合材料的種類主要有四種：CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。這四種增強纖維可用于結構的修復和加固。

（1）芳綸纖維(AFRP)性能

芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維），是一種人工制造合成的具有高性能的纖維，由芬芳聚酰化合物進行單一方向排序形成，主要有三種:Kevlar、Twaron、Technora。芳綸纖維具有高強度和高彈性模量、不易受到高溫的腐蝕等良好特性，但抗壓強度較低。此外，紫外線和濕氣對于芳綸纖維的影響較大。

（2）玻璃纖維(GFRP)性能

玻璃纖維分為E-玻璃纖維、C-玻璃纖維、A-玻璃纖維、S-玻璃纖維及M-玻璃纖維等。在土木工程建設領域中常用的玻璃纖維是E-玻璃纖維和S-玻璃纖維。玻璃纖維的成本較低,可以進行廣泛應用，彈性模量較差、易受堿性腐蝕，容易開裂。由于上述弊端和不足，學者們設想出一種解決方案，通過提高氧化鋁的用量生產出一種高耐堿型的玻璃纖維―AR纖維。有研究發現，玻璃纖維布（GFRP）對增強混凝土柱的延性具有更好的效果，而碳纖維（CFRP）布對提高混凝土柱的極限承載力有更好的效果。因此，玻璃纖維布（GFRP）在增強混凝土柱的延性方面可以發揮巨大作用。

（3）碳纖維(CFRP)性能

碳纖維有瀝青（Pitch)基、粘膠基及PAN基三種碳纖維，PAN基碳纖維應用最廣。根據碳纖維的力學性能可以分為高強度和高彈性模量碳纖維兩大類。不同于石墨的六面體結構，碳纖維的石墨微晶結構沿著纖維軸進行擇優取向。碳纖維和石墨纖維的分類標準取決于纖維含碳量，當纖維含碳量大于99%時，稱為石墨纖維,而當纖維含碳量在80%~95%時，稱為碳纖維。由于碳纖維是各向異性且制造成本較高，因此如何進一步減少成本、大規模應用還有待研究。

（4）玄武巖纖維（BFRP）性能

玄武巖纖維是在1 500℃超高溫度作用下、火山巖熔融狀態下，迅速拉伸制作而成的一種具有連續性的金褐色纖維，在建筑工程領域應用廣泛。首先在力學性能方面，玄武巖纖維（BFRP）的強度低于高強度碳纖維，但高于玻璃纖維、芳綸纖維這兩種纖維的強度。其次玄武巖纖維（BFRP）在大部分惡劣環境下都不易受到腐蝕，尤其是在堿性環境下，自身的化學性能幾乎不會受到影響，依舊保持良好的穩定性。再次是玄武巖纖維（BFRP）的造價十分低廉，僅僅是碳纖維價格的1/8~1/5左右，甚至與玻璃纖維的造價相當；與玻璃纖維的絕緣性相比，玄武巖纖維的電絕緣性更勝一籌，在耐熱絕緣材料領域也具有一定的價值;此外，玄武巖纖維還有一些其他優勢，如溫度范圍廣、絕熱隔音、易與樹脂結合、材料兼容性能良好等。

2.2 天然纖維增強復合材料FRP的研究

天然纖維增強復合材料的種類主要有兩種：亞麻纖維（FFRP）和黃麻纖維（JFRP）。這兩種增強纖維主要用于結構的約束。Libo Yan等[1]首次提出將天然纖維增強復合材料用于約束混凝土和天然纖維混凝土，并進行了一系列的試驗和理論研究。通過利用堿性溶液處理亞麻纖維，從而提高FFRP的拉伸性能;還進行了FFRP約束混凝土和FFRP約束椰殼纖維混凝土的抗壓性能試驗和抗彎性能試驗，并提出了其抗壓性能、抗彎性能理論分析模型。Yan等發現FFRP管的約束能顯著提高素混凝土和椰殼纖維混凝土的延性，在抗壓強度方面，GFRP管與FFRP管對混凝土的約束效果相差不大。但由于天然纖維復合材料與當前生產方法之間低的兼容性，阻止其得到廣泛擴散和應用，因此對于如何廣泛應用和發展天然纖維增強復合材料仍有待進一步的研究與探索。

2.3 FRP在土木工程中的應用

目前FRP材料的應用主要有兩種，一種是將FRP沿柱環向纏繞，主要用于修復和加固[2]，另一種是在FRP管中澆筑混凝土，主要運用在新建工程中。在混凝土柱子的受拉一側粘貼FRP,能夠承受更大的荷載，有效避免裂縫進一步擴大。通過運用FRP對混凝土柱受損部分進行修復加固與普通混凝土柱子采用黏鋼進行修復加固明顯存在較大的差異，以及如何計算承載力的方法也不盡相同。國內外學者的主攻研究方向在于采用FRP進行修復加固混凝土梁的情況下，抗彎截面性能、破壞變形程度、承受荷載計算、以及FRP加固后混凝土梁的截面變形程度、裂縫開裂情況等方面。此外，一些學者對FRP預應力加固技術在不同負載下的FRP預應力張拉技術、固定端的錨固、損失的預應力及計算荷載、傳遞界面應力及改善抗疲勞性能等方面進行了一些試驗研究和理論分析，并開始了土木工程的實際應用。

2.4 FRP與鋼管約束混凝土柱的對比分析

這兩種混凝土柱的對比分析可以得到以下兩點：其一是鋼管不僅可以對環向進行約束，還能承擔軸向壓力，而FRP是正交異性材料，只能夠承受壓力，提供環向約束。其二是鋼材為彈塑性材料，可以主動約束混凝土；而FRP材料是一種線性彈性材料，應力－應變曲線近似為一條過原點的斜直線，其對混凝土的約束為被動約束[3]。從20世紀末開始，人們的研究熱點轉移到FRP約束實心混凝土柱。這是最根本也是最具有典型性的組合狀態。還有隨著人們環保、綠色、可持續發展理念的增強，天然纖維增強復合材料FRP的研究也逐漸被重視。曾竟成等[4]研究得到黃麻纖維增強復合材料（JFRP）的強度比玻璃纖維低，但因其比重低，故其比強度較高；鄭融等[5]研究得到JFRP的比強度是鋁合金的1.1~1.2倍。

3 FRP的應用前景

未來研究方向有以下五點：①對于FRP約束混凝土柱的應力-應變關系的研究。②對天然纖維FRP約束混凝土柱與人造合成纖維FRP約束混凝土柱性能的對比研究。③對FRP約束混凝土柱進行數值模擬研究與試驗研究相結合。④不同種類FRP的混合使用將會成為未來一個新的研究方向。⑤對于各類新型FRP混凝土組合結構性能的試驗研究。

4 結語

FRP因其質量較輕、有較好的硬度、強度高、耐腐蝕性等優點，將其作為約束材料制成的FRP約束混凝土柱在土木工程中有著廣闊的應用前景。目前關于人造合成纖維FRP的研究國內外都已經比較廣泛，而關于天然纖維FRP約束混凝土柱的研究較少，混合FRP加固約束有待深入研究。