纖維增強塑料筋的性能及應用前景

范瑞雯（河南強昌建筑工程有限公司 河南新鄉 453003）

纖維增強塑料筋的性能及應用前景

范瑞雯
（河南強昌建筑工程有限公司 河南新鄉 453003）

本文介紹了纖維增強塑料筋纖維增強塑料筋的物理力學性能以及在國內外的發展和應用概況。闡述了研究纖維增強塑料筋增強混凝土的目的和意義，提出了纖維增強塑料筋在混凝土構件中的應用前景。

纖維增強塑料筋；物理力學性能；混凝土

1、纖維增強塑料筋材料簡介

鋼筋混凝土結構是以鋼筋為增強材料，鋼筋由堿性混凝土保護，使鋼筋混凝土結構具有一定的適用性和耐久性。但是暴露在侵蝕性環境下的鋼筋混凝土結構，在濕度、溫度、二氧化碳氣體、氯離子的作用下，混凝土的逐漸中性化使鋼筋腐蝕，最終導致混凝土結構破壞。

由于鋼筋腐蝕造成危害的嚴重性，人們對鋼筋腐蝕現象的認識以及為此進行的科學研究、技術開發正在逐步深入。例如，在鋼筋表面電鍍保護膜、靜電噴射熔粘保護膜、環氧樹脂保護膜等。但鋼筋與聚合物混凝土由于不同的熱性能影響了鋼筋聚合物混凝土的研究和應用。經過反復實驗，提出以玻璃纖維增強塑料筋這種合成的復合筋用來增強聚合物混凝土。

纖維增強塑料筋應用于支撐和圍繞磁共振成像醫療設備的混凝土中，對于結構不能使用傳統鋼筋的，可以選擇玻璃纖維增強塑料筋替代。

2、纖維增強塑料筋混凝土的研究現狀

歐洲于1996年成立了研究纖維塑料增強混凝土結構的聯合攻關組織，同時設立了研究該材料及其混凝土結構性能的重大歐共體合作研究項目，并投入了雄厚的人力、物力。該項目的目的是研制適宜的纖維塑料產品以及制定相應的纖維塑料增強、加固混凝土結構的試驗方法標準和設計施工規程。加拿大在1995年成立了專門研究纖維塑料增強、加固混凝土結構的專家委員會。美國也成立了相應的專業委員會，編制了纖維增強塑料及其混凝土結構的試驗方法標準及設計施工規程。日本的土木工程學會等多家機構從事纖維增強塑料及其應用于土木工程的研究，主要進行纖維增強塑料產品的研制、纖維增強塑料試驗方法及其混凝土構件設計方法等的研究，提出了連續纖維材料增強混凝土結構的設計與施工建議。

我國纖維增強塑料在土木工程中應用的基礎研究得到了國家自然科學基金委員會以及主管部門高度重視，同時得到相關企業的關注、資助和支持，使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。

3、纖維增強塑料筋的構成

纖維增強塑料筋是以纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑經拉擠成型技術和必要的表面處理形成的一種新型復合材料，具有比強度高、耐腐蝕性能好、可設計性強、抗疲勞性能好、耐電磁等獨特優點。纖維有有機纖維和無機纖維兩種，它們的抗拉強度和彈性模量都較高，是纖維增強塑料筋中的承載成份。

4、纖維增強塑料筋的基本物理力學性能

纖維增強塑料筋與鋼筋不同，是各向異性材料。不同成分纖維增強塑料筋之間的物理性能可能差別很大，一些因素例如纖維與樹脂的類型和含量、纖維的方向、尺寸效應、生產過程中的質量控制及生產方法都對產品的性能起著重要的作用。此外，與其它應用于結構的材料一樣，纖維增強塑料筋的力學性能受加載歷史、持續時間、溫度和濕度等因素的影響。

4.1 比重

纖維增強塑料筋的比重一般在1.25～2.1之間，因此它比鋼筋輕4～5倍，使得其運輸成本降低，在工作現場的加工安裝時間減少，施工便利，這些都應該包括在選擇產品時的成本分析中。

4.2 熱脹系數

為了使混凝土和增強筋的變形差最小，這兩種材料在熱應力下的性能必須接近。混凝土的熱脹系數通常看作是各向同性的。纖維增強塑料筋的縱向和橫向系數不同，與纖維、樹脂的類型、纖維的體積率有關。

4.3 抗拉強度和抗拉彈性模量

與鋼筋不同的是，纖維增強塑料筋在達到其極限抗拉強度時無任何實質性的屈服變形，其應力應變關系可用一條直到最大應力點的直線表示。同時，纖維增強塑料筋具有尺寸效應，即由于剪切滯后的原因，接近纖維增強塑料筋橫斷面中心的纖維受到的應力沒有纖維增強塑料筋外表面的纖維受到的應力大。這種現象導致大直徑纖維增強塑料筋的強度和效率的降低。另外，由于纖維增強塑料筋沿橫截面方向的脆性，確定纖維增強塑料筋的強度很困難，因為測試時錨固系統的應力集中可能導致纖維增強塑料筋過早地破壞，必須使用滿足測試纖維增強塑料筋強度要求的特殊的錨固裝置，使得纖維增強塑料筋試件的破壞發生在其測區以內。

4.4 纖維增強塑料筋的彎曲強度

纖維增強塑料筋可以用熱固性樹脂或熱塑性樹脂制成。熱固性樹脂由于它們的分子結構在受熱時會分解，因此這種樹脂制成的纖維增強塑料筋不能彎曲。用熱塑性樹脂制成的纖維增強塑料筋可以通過加熱、加壓來彎曲。

4.5 抗壓強度和抗壓彈性模量

纖維增強塑料筋試驗顯示其抗壓強度低于抗拉強度。與抗拉彈性模量不同的是，纖維增強塑料筋的抗壓彈性模量隨著纖維增強塑料筋的尺寸、類型、生產質量控制、試件的長徑比而變化。

4.6 剪切強度

纖維增強塑料筋的剪切強度往往很低，因為剪切強度主要取決于樹脂性能。可以通過調整纖維增強塑料筋的方向使其利用軸向拉力來抵抗剪切荷載。

4.7 徐變和徐變破壞

纖維在復合材料中的方向和體積率對纖維增強塑料筋的徐變特性影響很大。在不利的環境條件下，受恒載作用的纖維增強塑料筋可能在一段時間后突然破壞，這段時間叫持續時間，這一現象叫徐變破壞，存在于幾乎所有的結構材料中。隨著持續拉應力與纖維增強塑料筋短期強度比值的提高，持續時間會降低。

對大多數纖維增強塑料筋混凝土結構，因為纖維增強塑料筋中的持續應力低，基于考慮徐變破壞的應力限制并不重要。應當注意，環境因素會影響徐變性能，可能使持續時間變短。

4.8 疲勞

纖維增強塑料筋有很好的抗疲勞性。在荷載重復作用下的測試結果表明，在低應力比下，石墨纖維-環氧樹脂筋的疲勞強度比鋼筋高，而玻璃纖維增強塑料筋的疲勞強度比鋼筋低。

5、纖維增強塑料筋存在的問題和發展前景

影響纖維增強塑料筋力學特性的因素很多，例如溫度、濕度、荷載作用時間、紫外線作用和腐蝕等。如在潮濕的環境中，纖維增強塑料筋吸收過量的水分后強度和剛度會大大降低，樹脂的特性發生改變，纖維增強塑料筋膨脹和翹曲，因此最好選用具有抗潮濕性的樹脂。在寒冷地區還要考慮凍融循環作用的影響。纖維增強塑料筋盡管有很好的抗腐蝕性，但在特定的環境中也會破壞，必須根據具體情況選取適宜的材料。例如，混凝土在剛澆注時就是堿性的，這時可利用耐堿玻璃纖維。

目前國內外對纖維增強塑料筋混凝土結構的研究存在著以下不足：纖維增強塑料筋的預應力錨固體系問題；沒有引入與現代結構工程基本理論與設計方法相銜接的延性設計思想，對脆性破壞的纖維增強塑料筋增強混凝土結構沒有給出明確的、控制結構設計的延性指標；試驗工況多為單調荷載，疲勞荷載、長期荷載、地震荷載等工況的研究很少；對纖維增強塑料筋增強混凝土結構的受力機理和理論建模方面的研究有待進一步深入。對纖維增強塑料筋及其混凝土構件進行深入研究，結合現代鋼筋混凝土結構設計理論，制定出適合我國國情的纖維增強塑料筋混凝土結構設計規范。

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1007-6344（2016）06-0330-01

范瑞雯（1974.4），女，河南新鄉人，本科，工程師，主要研究方向：建筑施工。