玻璃鋼的特點及其在土木工程中的應用

摘 要：文章介紹了玻璃鋼的一些特點以及玻璃鋼產品在建筑工程、結構加固工程、道路橋梁工程、隧道工程、巖土工程等土木工程中的應用。

關鍵詞：玻璃鋼；建筑工程；道路橋梁工程；隧道工程；巖土工程

前言

玻璃鋼也稱為玻璃纖維增強材料，（GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastic），1939年美國發明的常溫常壓下成型的不飽和聚酯樹脂，與早前發明的玻璃纖維結合在一起，所形成的一種復合材料，在軍工、建筑、交通運輸、石油化工、農業機電等各個部門應用廣泛。玻璃纖維（包括玻璃布、氈等制品）是以玻璃在高溫熔融狀態下拉絲而成的。直徑都很小，表面經過偶聯劑處理后提高了樹脂的層間粘結力，在玻璃鋼中是增強材料，主要提供強度。樹脂是玻璃鋼中的基質，起到傳遞剪力和包裹纖維的作用，使得玻璃鋼具有耐熱、耐腐蝕、耐老化性能。輔助材料為著色劑、耐磨劑、阻燃劑（鹵化物），加入石英砂、抗靜電劑等可增加玻璃鋼的剛度。

1 玻璃鋼的特點

玻璃鋼和樹脂的有機組合，使得玻璃鋼具有某些鋼材無法比擬的優點。

1.1 可設計性好

可以預制成各種形狀，實心、空心、夾層等不同的結構，且夾層結構中間填加聚胺酯泡沫提高了圍護物（屋頂、墻壁）隔熱性能，使用玻璃鋼建造的冷庫和活動房隔熱性能好，各側墻和屋頂具有自身承載能力；也可以任意著色，制成各種美觀漂亮的產品滿足人們的需要；還可以通過選擇不同原料、數量多少、玻璃纖維的鋪層方式以滿足不同方向上的力學要求。

1.2 力學性能好

玻璃鋼的比重約為鋼鐵的1/4～1/5，比鋁合金還輕，屬于輕質建筑材料。在運輸、安裝、維護過程中十分方便，大大減輕建筑物的自重，更加安全、可靠。抗拉強度接近甚至超過碳素鋼，抗疲勞性好，力學性能優良。

1.3 耐化學腐蝕性強

使用環境不同，選用的樹脂也不同，生產出來的玻璃鋼耐多種酸、堿、鹽和有機溶劑以及耐微生物作用，達到防腐目的也不同。經常應用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程的建筑。

1.4 透光性好

在玻璃鋼制作過程中，如果加入透光樹脂與玻璃纖維織物組合，可以生產出透光且采光效果非常好的產品，如一些裝飾性材料、玻璃鋼雷達天線罩、玻璃鋼機房及東方明珠電視塔透波墻（直徑45m、距地面高度258m），彌補了一般玻璃易破碎、強度不高的弱點，將圍護、采光兩者結合起來考慮，對于其他材料來說，是難以實現的。

1.5 電性能好

玻璃鋼熱導率在室溫下是金屬的1/100～1/1000，是優良的絕緣材料，用來制造絕緣體。微波透過性良好，可以用來建造電氣通訊系統的建筑物，如輸電線塔、用于電磁試驗操作的建筑結構，或者是感光電路金屬板房間。第一個全GFRP建筑是美國蘋果計算機公司的電磁干涉實驗室，另一個工程例子是IBM計算機公司電路板車間的5層上部結構[1]。

1.6 隔音性好

玻璃鋼有吸收振動音及傳播音的作用，解決了傳統隔音性能好的材料往往比重大、不易裝配的缺點。通過優化設計，能使原來并不突出的玻璃鋼隔音性能取得很好的效果。經同濟大學測試，隔音板的指標達23分貝以上，結合隔音板（墻）自身剛度特點，使得玻璃鋼隔音板能得到推廣和使用[2]。

1.7 玻璃鋼的缺點

玻璃鋼彈性模量比鋼材低，即材料的剛性較差，容易變形；與鋼材相比，其韌性差，伸長率較低，破壞時沒有屈服平臺，屬于脆性破壞，雖然可以滿足土木結構對材料韌性的基本要求，但在土木工程應用上受到諸多限制。玻璃鋼的熱膨脹系數接近于混凝土，將玻璃鋼與混凝土合理的組合，就如鋼筋和混凝土兩種不同材料的組合一樣，發揮兩種材料的長處，彌補各自的不足，如玻璃鋼管混凝土柱，具有較高的強度、剛度、耐腐蝕性能。

2 玻璃鋼產品在土木工程中的應用

玻璃鋼的研究在理論上已經趨于成熟，并在工程實踐上廣泛應用。鑒于以上特點，玻璃鋼在建筑工程、橋梁工程、隧道工程、巖土工程中應用很廣。

2.1 玻璃鋼產品在建筑工程中的應用

建筑物的采光材料（玻璃鋼波紋采光板）、圍護材料（玻璃鋼門窗）、采暖通風材料、玻璃鋼模板、給排水工程材料、裝飾裝修材料、結構加固補強材料等都大量使用了玻璃鋼。

2.1.1 玻璃鋼波紋采光板

玻璃鋼波紋板隔熱保溫、防水、透光、裝飾效果好，具有抗腐蝕、耐老化的優良特性，主要用于大型工業廠房、大型超市、體育場館、大型集貿市場，屬于可持續發展的綠色建筑材料。

2.1.2 玻璃鋼門窗

玻璃鋼門窗兼有鋼、鋁門窗的堅固性和塑鋼門窗的耐腐蝕、耐潮濕、保溫節能性好的特點。玻璃纖維的抗折、抗彎性能好，熱膨脹系數低，與墻體的熱膨脹系數接近，玻璃鋼門窗在炎熱的環境下下不會膨脹，嚴寒環境下不會收縮，在溫度變化時窗框不會與墻體產生縫隙，密封性能好，壽命長，可以節省更換門窗的費用。其綜合性能優于其他類門窗。

2.1.3 玻璃鋼模板

玻璃鋼模板容易加工成各種復雜的曲面形狀，自重輕，僅為鋼模板的1/3左右，無需太過復雜的支撐，安裝拆卸比較容易，提高了施工效率。模板表面光潔、接縫少、密封性好、平整度高、易脫模、成型的構件質量好，拆模后便于清理，維修方便，破損率低，可重復使用，周轉效率高。玻璃鋼模板具有透光性能，可以直接觀察到混凝土的澆灌情況，保證了施工質量，以上這些優點是木模和鋼模所無法比擬的。

2.2 玻璃鋼產品在結構加固中的應用

玻璃纖維強度高、重量輕、耐腐蝕性強，可以抑制混凝土劣化和鋼筋銹蝕、提高結構的延性，不需要大型機械，便于施工。在建筑物、橋梁、特種結構等維修改造、加固工程中發揮重要作用。用玻璃鋼代替鋼板加固混凝土結構作用機理是利用樹脂類材料將玻璃纖維粘貼在混凝土構件表面，由于玻璃鋼的線膨脹系數與混凝土的線膨脹系數相近，二者得以共同工作。加固后提高了混凝土的抗壓強度、極限壓應變，進而提高了被加固構件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震能力，達到不改變結構形式又不影響結構外觀的效果。在湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋、廣東官汕線郭屋樓橋、韶關地區風村橋以及南京長江大橋引橋等處，都采用環氧樹脂粘貼玻璃布進行了加固[3]。

2.3 玻璃鋼產品在道路橋梁工程中的應用

玻璃鋼人孔在高等級公路建設中的應用，縮短了工期，提高了效率，具有良好的經濟效益，是高等級公路人孔的理想產品[4]。1986年建成的重慶交院橋，采用GFRP箱梁，建造成本比鋼橋省了50%[5]。玻璃鋼材料制作的泄水管具有耐腐蝕、較易運輸存放、市場無回收價值，不易被破壞、不易被雜物堵塞，可根據實際情況設計成任意形狀以滿足排水，使用壽命長，比鑄鐵泄水管造價低等優點，在橋梁工程中得到了充分利用。

2.4 玻璃鋼產品在隧道工程中的應用

玻璃鋼可加工成與鋼筋一樣的形式與尺寸。與鋼筋相比，其抗拉強度高、抗剪強度低，可切割性、抗腐蝕性能好，電傳導能力低、加入一定配方后的玻璃纖維筋與金屬碰撞不會發生明火，安全性能好。在地鐵施工中可以利用玻璃鋼的這些優點來替代盾構穿越影響范圍內圍護樁內的鋼筋。盾構機可以直接切割玻璃纖維筋，避免人工拆除圍護樁及鋼筋發生的人身傷害，減少對地面環境的干擾，提高了施工效率；省去了洞口處鋼筋及鑿除混凝土樁的費用，經濟效益及社會效益明顯。如天津地鐵2號線沙柳路站、深圳地鐵5號線大學城站、南寧軌道交通1號線廣西大學站。

2.5 玻璃鋼產品在巖土工程中的應用

玻璃鋼可設計性強、耐腐蝕性好、自重輕，便于施工，用玻璃鋼加強筋來替換普通鋼筋，廣泛應用于干濕環境下的土釘墻、擋土墻、錨桿、連續墻等工程中。黃新民[6]發現由樹脂和玻璃纖維復合組成的玻璃纖維筋作為土釘材料，可以顯著減少鋼筋生產所帶來的能源消耗，減少環境污染，符合國家節能減排的政策要求。玻璃鋼錨桿具有輕質高強，耐腐蝕性、抗靜電、容易切割且摩擦不會產生火花、防爆性能好，不受煤層瓦斯等級限制。劉漢東[7]通過試驗證實 GFRP錨桿強度高、與混凝土變形協調性好等力學性能，如果替代鋼材錨桿應用在邊坡永久加固中，能夠解決鋼筋材料腐蝕問題，具有廣闊的應用前景。

3 結束語

隨著我國經濟的發展，采用玻璃鋼作為土木工程材料將會降低勞動強度，減少勞動量，縮短施工周期，降低能源消耗，保護環境。隨著生產技術的飛速發展，工人勞動費用的增加，玻璃鋼產品在土木工程中的應用范圍將會越來越廣。

參考文獻

[1]王全鳳，楊勇新，岳清瑞.FRP復合材料及其在土木工程中的應用研究[J].華僑大學學報（自然科學版），2005：1-6.

[2]翁雷，李萍.玻璃鋼復合材料在建筑結構中的應用[J].玻璃鋼，1998（2）：19-22.

[3]曾憲桃，車惠民.復合材料FRP在橋梁工程中的應用及其前景[J].橋梁建設，2000（2）：66-70.

[4]彭龍.玻璃鋼人孔在高等級公路交通工程中的應用[J].科技與企業， 2014：185-185.

[5]楊允表，石洞.復合材料在橋梁工程中的應用[J].橋梁建筑，1997（4）：1-4.

[6]黃新民. GFRP筋在深基坑邊坡土釘支護工程中的應用[J].鐵道建筑技術，2012（8）：67-76.

[7]劉漢東，于新政，李國維. GFRP錨桿拉伸力學性能試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（20）：3719-3723.

作者簡介：孫凌云（1981，3-），女，工程師，碩士，桂林理工大學博文管理學院工作，土木工程專業。