FRP材料與海砂混凝土組合應用的研究現狀綜述

王 瑋 (安慶市建設工程質量監督站，安徽 安慶 246003）

1 引言

近年來，我國的建設量隨著經濟的快速發展不斷增加，混凝土作為主要的建筑材料其使用量也隨之激增。混凝土屬于二次加工產品，是以水泥為膠凝材料，通過與水、砂、石子拌合而成。根據百年建筑網的數據[1]，2019年1到6月全國商品混凝土總產量達到了11.85億m3，同比去年增加14.8%。目前建筑用砂采用的多為河砂，混凝土需求量的激增直接導致我國沿海區域城市河砂產量匱乏的問題。參考日本等沿海國家的相關經驗，建筑行業將目光轉向了海砂資源。與河砂相比，海砂具備粒度均勻、水泥含量低等優點，是較為理想的建筑材料[2]。此外，我國海岸線漫長蜿蜒，長度達到1.8萬km，擁有極其豐富的海砂資源。根據王圣潔等[3]的估算，我國近海的海砂總量約為68×103m3，因此沿海區域使用海砂來代替河砂作為建筑材料在產量和含量上是完全可行的。

在日本、荷蘭等沿海發達國家，海砂早在20世紀初就已經被開發利用，日本在80年代的海砂用量就已經占到總用砂量的30%以上了，現在已達到80%～90%[4]。當下限制海砂在工程中大量應用的主要因素是其含有能夠腐蝕鋼筋的氯離子，會對建筑物的耐久性造成不利影響。針對這個問題，國內學者提出了通過海砂淡化、使用阻銹劑等手段來預防鋼筋的銹蝕[5]，取得了一些成效。目前國內使用較多的是海砂淡化法，但是由于監管不嚴等問題，大量未經淡化的海砂流入了建材市場，我國沿海區域出現了大量使用不合格海砂建造的房屋，給國家和人民造成了巨大的經濟損失[6]。這也表明上述手段都是治標不治本的方法，要想從根本上杜絕鋼筋銹蝕現象的出現，必須使用不會發生銹蝕的材料來代替鋼筋。隨著材料行業的快速發展，新的建筑材料不斷涌現，為徹底解決海砂混凝土構件中鋼筋的腐蝕問題提供了新的可能。例如，近年來被廣泛運用于土木行業的新型復合纖維增強材料（FRP），且具備輕質，高強度，設計靈活性強等優勢，將FRP材料與海砂混凝土組合應用可有效保證結構的耐久性[7]，徹底解決海砂混凝土構件中鋼筋的腐蝕問題。近年來，我國正在實施海洋強國戰略，需要修建大量的海上建筑物。這與FRP材料與海砂混凝土組合構件的優勢不謀而合，海砂與海水可以直接從海洋中直接獲取，成本低，且能夠滿足海上建筑物的耐腐蝕性要求，應用前景廣闊。

2 FRP材料國內外發展與應用現狀

纖維增強復合材料（FRP）是由高性能纖維與基體按一定比例并經過一定工藝復合形成的一種高性能新型材料。工程中常用的FRP材料主要包括碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和芬綸纖維（AFRP）等[8]。目前國內外學者對FRP材料的研究集中于力學性能、耐疲勞性能和耐腐蝕性能三個方面。本文從這三個方面對FRP材料的研究進展展開綜述。

2.1 力學性能

在力學性能方面，朱虹等[9]通過試驗研究了AFRP筋的極限抗拉強度，建立了AFRP筋的松弛率計算公式。趙謙等[10]人通過對不同比例混雜的碳纖維筋與玻璃纖維筋進行拉伸試驗，測定了不同比例混雜筋材的抗拉強度、斷裂伸長率等力學特性。曹曉峰等[11]通過試驗研究了玄武巖纖維（BFRP）的力學性能，結果表明BFRP筋材的抗拉強度是普通鋼筋的2倍以上，彈性模量約為普通鋼筋的1/4，抗剪強度僅略小于鋼筋的抗剪強度。

2.2 耐疲勞性能

在耐疲勞性能方面。劉傳樂等[12]通過試驗研究了預應力CFRP筋的耐疲勞性能，結果表明CFRP筋在200萬次等疲勞加載后仍未發生破壞，由此證明了CFRP筋耐疲勞性能的優越。謝桂華等[13]通過試驗研究了不同溫度和應力水平下FRP材料的耐疲勞性能變化規律，結果表明FRP材料耐疲勞性能受溫度的影響程度要高于應力條件。龔其豐等[14]通過數值模擬研究了FRP筋混凝土界面在疲勞荷載作用下的粘接性能，得到了錨固長度、應力水平以及應力幅值等參數對CFRP筋在混凝中的粘結疲勞壽命的影響規律。孫理想[15]等研究了疲勞荷載作用下FRP筋混凝土構件的裂縫發展規律，引入了疲勞荷載作用下FRP筋混凝土構件的計算公式，結果表明FRP筋混凝土在疲勞荷載作用下內部會產生疲勞損傷，影響筋體與混凝土之間的粘接性能。

2.3 耐腐蝕性能

在耐腐蝕性能方面。董志強等[16]對處于不同溫度和腐蝕條件下的碳纖維和玄武巖纖維增強復合材料筋耐腐蝕性能進行了試驗研究，結果表明隨著溶液溫度的提升，BFRP筋的抗拉強度急劇下降。李趁趁[17]等通過試驗研究了堿性條件對GFRP筋和BFRP筋拉伸強度、拉伸彈性模量、剪切強度以及破壞形態等的影響，結果顯示堿性溶液降低了GFRP筋的拉伸強度和剪切強度，降低了BFRP筋的拉伸強度、拉伸彈性模量和剪切強度。吳剛等[18]針對玄武巖纖維增強樹脂基復合筋材（BFRP筋）在堿性環境中的耐腐蝕性能和腐蝕機理進行了試驗研究，試驗變量包括樹脂基體種類、堿性環境類別、腐蝕齡期等。

3 海砂混凝土國內外發展與應用現狀

近年來，在我國沿海區域的城市，淡化海砂也被廣泛用作建筑用砂，緩解了該類區域建筑用砂緊缺的現狀，經濟社會效益顯著。在海砂混凝土研究的方面，國內外學者主要著重于對海砂淡化方法、海砂高性能混凝土及海砂混凝土耐久性這三個方面的研究。

3.1 海砂混凝土淡化技術

國外很多沿海的發達國家如日本、英國等很早就開始進行對海砂進行淡化處理后再利用。其中，日本是世界上淡化海砂使用量最大的國家，其對海砂進行淡化的手段主要包括自然放置、淡水沖洗、浸泡以及生物方法等。早在20世紀90年代，我國的趙毛媛等[19]就探索了利用淡水沖洗對海砂進行淡化的工藝流程，實踐證明經淡水沖洗后的海砂中氯鹽、貝殼等不利因素的含量顯著下降。陳杰林等[20]的研究成果也表明對海砂進行淡化能夠有效降低海砂的氯鹽含量和貝殼含量。湯奇岳等[21]發明了一種祛除海砂中氯化物、藻類等有害物質的新方法，能夠使得海砂轉變為建筑用砂，且成本低廉。由此看來，海砂的淡化技術日趨成熟，未來對海砂淡化的成本還會進一步降低。必須指出的是，海砂淡化后氯鹽等不利因素的含量要嚴格符合國家相關標準，避免“海砂屋”等現象的再次出現。

3.2 海砂高性能混凝土

史美鵬等[22]介紹了淡化海砂在寧波地區的應用現狀，通過對比國內外學者的相關研究成果，提出了淡化海砂能夠滿足高強混凝土原材的要求的觀點。邢麗等[23]研究了氯鹽含量和貝殼含量對海砂混凝土和易性及強度的影響規律，結果表明氯鹽含量和貝殼含量對混凝土強度幾乎沒有影響。劉偉等[24]對比了海砂混凝土和河砂混凝土在抗壓強度、彈性模量等力學性能的特點，指出在不考慮氯離子對混凝土鋼筋腐蝕的條件下，原狀海砂的使用效果完全等同于普通河砂。

3.3 海砂混凝土耐久性

殷惠光[25]通過試驗研究了氯鹽侵蝕與長期彎曲荷載共同作用下海砂混凝土梁和普通混凝土梁的耐久性變化規律，結論表明海砂混凝土梁相較于普通混凝土具備更高的剛度。張璐等[26]分析了海水對普通鋼筋的腐蝕機理，揭示了海砂對混凝土耐久性影響的規律。

4 FRP材料與海砂混凝土組合構件

FRP作為一種新型結構材料，其可設計性靈活，目前FRP材料與海砂混凝土的組合已經豐富多樣，主要包括FRP筋海砂混凝土結構和FRP管海砂混凝土組合構件[27]，本文主要對這兩種結構形式進行介紹分析。

4.1 FRP筋海砂混凝土結構

FRP筋具備輕質、耐腐蝕強、抗疲勞性能強、強度高等優勢，使用FRP筋代替鋼筋用于海砂混凝土中，既可以發揮FRP筋的優勢，也可以發揮海砂粒度均勻、水泥含量低的優點。FRP筋既可以為箍筋，也可以為縱筋，也可以是兩種結合形成的鋼筋籠，其形式多變。李樹旺等[28]通過試驗研究了BFRP筋海砂混凝土梁的受剪性能，并根據試驗結果修正了BFRP筋海砂混凝土抗剪承載力計算公式，為工程實踐提供了設計指導。邢麗等[29]對8根GFRP筋海砂海水混凝土梁試件進行壓力試驗，結果表明GFRP海砂海水混凝土破壞前有明顯征兆，裂縫開展充分，撓度非常大。

4.2 FRP管海砂混凝土組合構件

FRP管海砂混凝土組合構件是指以預制的FRP管為基礎，向管內澆筑混凝土形成的組合構件。FRP管能夠有效的對混凝土進行約束，提高混凝土的強度和變形能力，同時能充當模板，提高施工效率。

國內外學者的研究多集中于FRP管混凝土，涉及到施工過程中FRP管的受力特性[30]、FRP管中纖維材料的種類[31]、抗震性能[32]等。使用海砂混凝土代替普通混凝土形成的FRP管海砂混凝土組合構件與FRP管普通混凝土構件受力機理幾乎相同，故以往對于FRP管混凝土研究的相關結論可快速推廣至FRP管海砂混凝土領域，加快FRP管海砂混凝土在實際工程中的運用。

5 結論與展望

FRP材料具備抗拉強度高、耐腐蝕性能好以及抗疲勞性能強等優勢，隨著國內外學者對FRP材料研究的不斷深入，FRP材料在海上等腐蝕性強的地區擁有不可估量的未來。

FRP材料海砂混凝土的研究能夠解決沿海地區河砂匱乏的問題，同時徹底解決了當下海砂混凝土中鋼筋銹蝕等技術難題，符合國家綠色發展的大方向。加速海洋建設開發已成為我國的重點戰略方向之一，這為海砂混凝土的發展提供了一個良好的契機。FRP材料與海砂混凝土的組合能夠解決海洋開發建設中所面臨的的各項技術難題，是今后海砂混凝土發展的一個重要方向。