淺談纖維增強塑料筋在土木工程中的應用

摘 要：當前在土木工程中鋼筋混凝土結構存在著鋼筋易銹蝕的問題，針對這一問題，隨著科技的發展，一種纖維增強塑料筋開始在土木工程中得到不斷推廣，具有輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞等優點，因此具有非常廣闊的應用前景。文章介紹了纖維增強塑料筋的特點，討論了其在橋梁工程、海洋工程、巖土工程以及高寒環境基礎設施、搶險救災工程等特殊場合的應用，為纖維增強塑料筋的應用推廣提供參考。

關鍵詞：纖維增強塑料筋；土木工程；應用；橋梁工程

前言

鋼筋混凝土結構在當前土木工程中最為常用，具有強度高、便于就地取材、可塑性強等優點，但鋼筋混凝土結構中的鋼筋銹蝕問題也是不容忽視的一點，鋼筋一旦發生銹蝕就會對結構的耐久性造成嚴重的影響，據統計，由于鋼筋銹蝕的原因造成的鋼筋混凝土結構破壞比例在60%以上，不僅由此增加了大量的研究經費，而且一旦維修不及時就有可能造成嚴重的事故。針對鋼筋易銹蝕這一問題，隨著科技的發展，一種纖維增強塑料筋開始在土木工程中得到不斷推廣，具有輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞等優點，在混凝土結構中有望作為普通鋼筋的替代品，從而從根本上解決由于鋼筋銹蝕而造成的耐久性差的問題，因此具有非常廣闊的應用前景。

1 纖維增強塑料筋及其優點

纖維增強塑料筋由高性能纖維與基體材料構成，其中纖維是主要受力材料，具有加勁作用，纖維按照材料不同可以分為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維以及混雜纖維等，而基體材料起到粘接、保護以及傳遞剪力的作用。根據纖維種類的不同制成的纖維增強塑料筋也就可以分為玻璃纖維增強塑料筋、碳纖維增強塑料筋、芳綸纖維增強塑料筋以及混雜纖維增強塑料筋等，實際工作中需要根據實際情況選擇。

纖維增強塑料筋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，纖維增強塑料筋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纖維增強塑料筋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。對于纖維增強塑料筋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，纖維增強塑料筋的熱膨脹系數與混凝土十分接近，因此在溫度發生變化時，纖維增強塑料筋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，確保了纖維增強塑料筋與混凝土實現協同工作。然而，纖維增強塑料筋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，且纖維增強塑料筋本身屬于脆性材料，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 纖維增強塑料筋在土木工程中的應用

2.1 在橋梁工程中的應用

使用纖維增強塑料筋用于橋梁的建造，可利用其良好的力學性能，增強橋梁的耐久性，且有助于降低橋面的重量。近年來，美國應用纖維增強塑料筋等復合材料建造了世界上第一座復合材料橋，通過合理的設計以及科學的施工管理，使得這座橋梁可以滿足安全性、適用性和耐久性的要求，且橋身重量只有普通水泥橋面的十分之一，對于抵抗地震等自然災害具有重大意義。而后，一些建筑業較為發達的國家，如日本、加拿大等國也陸續使用纖維增強塑料筋進行橋梁的設計和建造，取得了成功，例如加拿大的joff橋、日本的飛翔橋等等，這些都充分證明了纖維增強塑料筋在橋梁設計施工中應用的可行性。使用纖維增強塑料筋來替代普通鋼筋的橋梁施工過程中，由于其與傳統的鋼筋混凝土結構有較大的不同，因此其施工管理和現場監督就顯得格外重要。

2.2 在海洋工程中的應用

在海洋工程中，由于海水的侵蝕作用較為強烈，雖然在鋼筋混凝土結構中混凝土在一定程度上可作為鋼筋的保護層，但由于混凝土結構中存在的毛細孔洞可使海水不斷滲透，造成對鋼筋的腐蝕，當前，為了延緩這種腐蝕作用，通常的做法是采用15厘米以上厚度的混凝土作為保護層，并同時采取其他防腐措施，這樣的結構可將耐久年限提高到20年左右，但仍然無法滿足海洋工程對耐久性的要求。在這樣的情況下，使用耐腐蝕性能較強的纖維增強塑料筋來替代普通鋼筋是具有現實意義的。理論上來說，海水對于這種復合材料基本上不具備破壞力，因此在跨海橋梁、港口、水道等結構中使用纖維增強塑料筋作為防裂筋可有效解決海水中氯離子的侵蝕作用，具有非常好的效果。

2.3 在巖土工程中的應用

在巖土工程中，錨桿是一種極為常見的加強措施，常作為獨立結構用作基坑臨時支護以及作為土釘墻的組成部分，實際工程中常用高抗拉強度鋼筋及鋼絞線等制作錨桿，雖然初期可體現出非常好的錨固效果，但隨著鋼材料的銹蝕使得錨固工程被破壞，失去功效，嚴重時還可能發生安全事故。為此，采用纖維增強塑料筋來替代鋼筋制作錨桿，可不需要其他任何防腐措施，因此簡化了施工工藝，具有結構簡單，重量輕、易于安裝、使用壽命長等優點，因此可滿足巖土工程的設計和使用要求。

2.4 在特殊工程中的應用

第一，在非導電和非磁性結構工程中，如果使用鋼筋就必須對鋼筋進行絕緣和屏蔽處理，而纖維增強塑料筋本身不具備任何導電性和導磁性，因此可有效用于軍事設備等特殊場合中。

第二，在高寒地區基礎工程中，對于工程的維護成本較高，使用纖維增強塑料筋代替普通鋼筋用作混凝土結構，可基本實現工程的免維護。

第三，在地質災害防治工程中，采用預應力技術被認為是極為有效的，但預應力鋼筋會發生銹蝕，因此存在一定的安全隱患，用預應力纖維增強塑料筋替代預應力鋼筋、鋼絞線可妥善解決這類問題。

3 結束語

綜述所述，在土木工程領域中對于工程的安全性和耐久性要求不斷提高的前提下，使用纖維增強塑料筋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，相信隨著土木工程學科的不斷進步，這種復合材料在土木工程中會得到越來越廣泛的應用。

參考文獻

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