新型FRP筋在混凝土結構中的應用及研究

王 偉

(1.中國建筑科學研究院上海分院，上海200023;2.上海建科結構新技術工程有限公司，上海200023)

隨著混凝土結構在土木工程中的應用，人們逐步發現影響混凝土結構耐久性最主要因素是鋼筋的銹蝕［1]。自上世紀60年代起，國內外學者就開始研究防止鋼筋銹蝕的措施，經過近五十年的研究分析［2]，研究者普遍認為采用新型的聚合物材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋替代鋼筋是較為可行的方法。新型FRP筋［3]是由多股連續纖維采用基底材料膠合后，經過擠壓、拉拔等工藝制成。相對而言，所謂的傳統FRP筋，主要是指我國在20世紀五、六十年代采用手糊工藝生產的FRP筋，具有較低的抗拉強度和彈性模量，文中以下FRP筋均是指新型FRP筋。

1 FRP筋的生產工藝和分類

FRP筋生產工藝類型主要包括編織型、繩索型、拉擠型等。一般認為，FRP筋強度與纖維含量成正比，但當纖維含量較高時，采用擠壓成型工藝生產起來也越困難。纖維種類、基體材料類型、纖維方向及其與基體間的界面構造決定了FRP筋的力學性能。為改善FRP筋的力學性能，克服沒有屈服點呈脆性破壞的缺點，常常采用混雜配筋以同時達到增強和增韌的目的［4]。

FRP筋一般按照纖維種類進行分類［5]，常見的有GFRP筋、CFRP筋和AFRP筋等三種，目前，GFRP筋在土木工程中的應用最為廣泛。按照配筋形式的不同，FRP筋可分為光圓筋、螺紋筋、矩形截面筋以及工字型截面筋等四種，這也是國內外常用的FRP筋的形狀。此外，也可直接將FRP筋制作成網板用于板的配筋。各種形式的FRP筋如圖1所示。

2 FRP筋的力學特性

不同的連續纖維化學成分不同，其力學性能差別很大，相應的FRP筋也表現出了差別很大的物理力學性質。常見的FRP筋的力學性能見表 1［5]。

表1 FRP筋的力學性能Tab.1 Mechanical properties of the FRP bars

FRP筋具有許多與傳統結構材料所不同的特點［6]，FRP 筋的基本性能有:

1)基本物理特性:FRP筋質量較輕，這使得FRP筋混凝土結構自重減輕，也使得橋梁極限跨度有所提高;此外，FRP筋的彈性模量低于鋼筋的彈性模量，一般不超過鋼材的75%。

2)基本力學特性:FRP筋的抗拉強度較高，但FRP筋在受拉破壞前仍然呈現線性特征，也即FRP筋為一線彈性材料，并不具有延性，在用于抗震設計時需注意;FRP筋抗壓強度較低，約為抗拉強度的1/3～1/2，這主要是因為FRP筋抗壓強度主要取決于基體材料的抗壓強度，而基體材料的強度較低;剪切強度較低是FRP筋的又一特點，FRP筋抗剪強度通常不足其抗拉強度的5%～20%;FRP筋都具有良好的疲勞性能。纖維的種類、表面形狀、環境條件和加載頻率等是影響FRP筋的疲勞強度的主要因素。

3 在混凝土結構中的應用

3.1 國外研究和應用進展［6]

1941，美國人Jackson首次將GFRP筋運用到混凝土結構中，并申請了專利。20世紀60年代，為解決惡劣氣候下的鋼筋混凝土結構耐久性問題，CFRP筋首次被美國Marshall.Vega公司作為增強筋用于混凝土結構中，這是對CFRP研究和應用的開始。FRP加強筋自20世紀80年代初起逐漸應用在有特殊性能要求的結構物中，尤其是受有嚴重化學侵蝕的結構物。美國ACI440委員會于2001年提出了FRP筋混凝土結構的設計和施工準則(ACI 440.R－01)。隨后，ACI440委員會根據各國學者的最新研究成果，不斷對ACI 440.R準則進行修正，日前 ACI 440.R－07已投入使用。

20世紀70年代，日本開始FRP筋增強混凝土的研究，生產工藝采用試配法。1988年，日本首次將CFRP筋應用在一座7 m寬5.76 m跨的公路橋梁中應用了CFRP預應力筋。1990年又應用AFRP筋修建了一座長54.5 m，寬2.1 m的茨城懸帶橋。

1951年.歐洲學者 Rubinsky.I.A.和 Rubinsky.A.首次研究了將GFRP筋作為預應力筋應用到混凝土結構中的受力性能。20世紀70年代，德國stuttgart大學的Rehm教授的研究成果表明，GFRP筋可以作為預應力筋用于混凝土結構中。1980年，德國的Muster用GFRP筋修建了一座人行橋，并于1986年修建了世界上第一座兩跨GFRP預應力混凝土公路橋。

3.2 國內研究進展［7]

國內對FRP筋以及FRP筋混凝土結構的研究雖然起步較晚，但是最近國內關于FRP筋的研究越來越廣泛，并得到一些具有遠見卓識的企業家的關注和大力支持，使得我國在該領域的基礎研究從開始就沿著“高起點發展，高水平推進，高效益應用”的方針迅速發展。1995年由水利部專門立項，同濟大學薛偉辰教授在國內首次開展了FRP筋的研究與應用。1997年，薛偉辰教授在河海大學完成國內首例混凝土結構中配置新型配筋FRP筋的試驗研究。鄭州大學高丹盈教授等根據拉拔試驗和梁式試驗結果推導出FRP筋錨固長度的計算模型，該模型提出了影響FRP筋與混凝土粘結性能的影響參數，其中包括混凝土強度、錨固長度、FRP筋直徑、混凝土澆筑深度等。

在上述研究的基礎上，國家和專業部門已頒布多部相關規程，主要包括《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》(CECS146:2003)、《纖維增強復合材料加固混凝土結構技術規程》(DG/TJ08－012－2002 J10158－20)、《結構加固修復用碳纖維片材》(JG/T167－2004)和國家標準《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》(GB50608－2010)。

4 FRP筋耐久性研究進展

研究者對FRP筋在土木工程中的應用開展了一系列研究，而對FRP筋耐久性的研究較少。國外學者在上個世紀90年代中期以后，才開始進行FRP筋在不利環境下的力學性能退化規律的研究，并取得相應的進展;國內研究者對FRP筋的耐久性才剛剛開始起步。

4.1 酸堿鹽環境下

張新越，歐進萍［3]等對自制的FRP筋產品進行酸堿鹽介質腐蝕試驗，結果表明，玻璃纖維筋(GFRP筋)具有很好的耐酸、鹽性能，但耐堿性相對較差。碳纖維筋(CFRP筋)具有很好的耐酸、耐堿、耐鹽溶液腐蝕的性能，可以很好的滿足混凝土結構耐久性的要求，但碳纖維和環氧樹脂的界面比較薄弱，沒有玻璃纖維和環氧樹脂的界面密實和堅固。Taketo Uomoto［8]等對酸性環境下FRP筋的耐久性進行研究，結果表明，當溫度達到80℃時，才能觀察到酸性環境下FRP筋性能退化，而在40℃以下，FRP筋一般不會發生退化現象。可見，FRP筋的抗酸性很強。

4.2 凍融循環試驗

Renée Cusson 和 Yunping Xi［9] 開展了凍融環境下FRP筋耐久性試驗，試件數量為105根，凍融循環時間為750h，溫度在－29℃ ～20℃之間，經歷250次凍融循環后，結果表明，FRP筋的抗拉強度、彈性模量、極限應變及水平剪切強度等均有不同程度變化，影響程度取決于凍融循環的次數及溫度的變化幅度。

歐進萍、張新越等對GFRP筋和CFRP筋進行了凍融試驗［3]，凍融循環溫度控制在 －17.8℃ －7℃之間，試驗結果表明:在經歷300次凍融循環后，GFRP筋抗拉強度下降9.4%，彈性模量上升5.79%，CFRP筋的抗拉強度上升2.16%，彈性模量上升5.38%。

4.3 紫外線輻射環境下

Kato［10]等人對紫外線輻射環境下 FRP筋耐久性進行了加速試驗。試驗溫度為26℃，紫外線照射強度0.2MJ/m2/h。試驗結果表明，除CFRP筋性能基本沒有發生變化外，GFRP筋和AFRP筋的抗拉強度均有不同程度的下降。Tomosawa和Nakatsuji［11]對浸泡在海水環境中的13種不同類型的FRP筋進行耐久性試驗，結果發現，暴露在熱帶地區的陽光下2年后FRP筋各項性能并沒有發生退化現象。

4.4 高溫和火災情況下

同濟大學的周長東等［12]重點對火災高溫下的GFRP筋的力學性能進行了研究，研究結果表明，當環境溫度高于270℃時，GFRP筋的抗拉強度會急劇下降;在溫度低于190℃時，GFRP筋的抗拉強度可以恢復到室溫時的強度，在溫度高于190℃時，GFRP筋的抗拉強度則不能恢復到室溫時的強度，這主要是與GFRP筋的基體材料性能有關。

5 結束語

FRP筋具有輕質、高強，耐腐蝕性好的特點，符合土木工程用高性能材料的發展趨勢。為了FRP筋能夠更好地應用工程實際，仍需要對以下幾點問題做進一步的研究:(1)為使FRP筋能夠更好地應用于工程實際，應對其作為預應力筋時錨固體系做進一步研究。(2)應對FRP筋耐久性能做進一步的研究，尤其是研究預測FRP筋耐久年限的理論模型。(3)重視FRP筋生產工藝研究，使其產品價格適用于工程結構，并加快改性樹脂和改性纖維的研究。

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