纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋在PRT 系統(tǒng)連續(xù)混凝土鋪裝中的研究與應(yīng)用

王達(dá)

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610081）

1 研究背景

個(gè)人交通捷運(yùn)系統(tǒng)（PRT 系統(tǒng)）在成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)投入應(yīng)用，這不但是該系統(tǒng)在我國(guó)民航領(lǐng)域的首次應(yīng)用，也使得成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)成為亞洲第一個(gè)擁有PRT 系統(tǒng)的4F 國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)。PRT 系統(tǒng)作為新型全自動(dòng)無人駕駛膠輪無軌系統(tǒng)，是一種具有自導(dǎo)向功能的小型車輛，沿專用的軌道運(yùn)行且全自動(dòng)無人駕駛的新型軌道交通系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 PRT 系統(tǒng)

新型PRT 交通專用行車道采用槽形設(shè)計(jì)，車輛采用自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（AVP 系統(tǒng)）通過在行車道槽內(nèi)側(cè)布設(shè)AVP 感應(yīng)線圈對(duì)無人駕駛膠輪小車進(jìn)行全自動(dòng)導(dǎo)航[1]。AVP 系統(tǒng)要求在行車道槽范圍內(nèi)不得存在其他金屬構(gòu)件，否則會(huì)有對(duì)導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生干擾甚至產(chǎn)生誤導(dǎo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此PRT 行車道槽無法按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼筋的替代材料選擇成為重要問題。

本文以成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)建設(shè)過程中PRT 項(xiàng)目土建工程為背景，以國(guó)內(nèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）應(yīng)用技術(shù)的日漸成熟為基礎(chǔ)，通過對(duì)不同種類的FRP 筋力學(xué)性能進(jìn)行理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析相結(jié)合的方法，對(duì)傳統(tǒng)熱軋鋼筋的替代材料進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇出適用性與耐久性兼?zhèn)淝医?jīng)濟(jì)性良好的FRP 筋，作為該工程的理想材料。其研究結(jié)果亦可廣泛應(yīng)用于普通連續(xù)混凝土鋪裝路面，可為今后類似的工程項(xiàng)目或設(shè)計(jì)研究提供參考。

2 FRP 筋的性能特性對(duì)比

FRP 是Fiber Reinforced Plastic 的縮寫，意為纖維增強(qiáng)塑料。FRP 筋是由高性能連續(xù)纖維與基材（通常為熱固性樹脂材料）膠合后，經(jīng)過擠壓、拉拔等復(fù)雜工藝形成的[2]，與鋼筋形狀相似，作用相同的復(fù)合材料。其中高性能纖維是其增強(qiáng)材料，起加勁作用，基材主要起到粘結(jié)、傳遞剪力的作用[3]。

根據(jù)纖維材質(zhì)的不同，土建工程中較為常用的FRP 筋可分為芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋（AFRP 筋）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋（CFRP 筋）和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋（GFRP 筋）。其基本力學(xué)性能參數(shù)與普通鋼筋的對(duì)比如表 1 所示[4]。

表1 常用的FRP 筋與HRB400 鋼筋的力學(xué)性能對(duì)比

由表 1 可見，AFRP 筋、CFRP 筋的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于HRB400 鋼筋，GFRP 筋的抗拉強(qiáng)度略高于HRB400 鋼筋，但伸長(zhǎng)率較HRB400 鋼筋相差較大，延展性較差。因此AFRP 筋與CFRP 筋由于其卓越的抗拉強(qiáng)度，多作為預(yù)應(yīng)力筋使用。而就本工程而言PRT 專用行車道槽斷面寬度僅為4.75m，GFRP 筋足以滿足其承載力要求，普通連續(xù)混凝土鋪裝路面的情況也與之類似。因此，正常使用極限狀態(tài)下的混凝土開裂程度與耐久性設(shè)計(jì)便成為選材衡量的重點(diǎn)方向。

3 FRP 筋的抗裂性能

FRP 筋憑借其材料本身優(yōu)異的抗腐蝕性能，在混凝土構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)中較鋼筋更具優(yōu)勢(shì)。一般環(huán)境下，持久狀況正常使用極限狀態(tài)下帶裂縫工作的普通鋼筋混凝土構(gòu)件最大裂縫寬限值為0.2mm，而采用FRP 筋的混凝土構(gòu)件最大裂縫寬度限值為0.5mm[5]，其抗腐蝕性能可見一斑。

眾所周知，混凝土養(yǎng)護(hù)期間因水化熱導(dǎo)致其內(nèi)外溫差較大，加之混凝土表面水分散失引起的收縮裂縫成為混凝土構(gòu)件質(zhì)量通病之一。而混凝土與鋼筋的熱膨脹系數(shù)相近，二者變形協(xié)調(diào)一致，可從一定程度上抑制裂縫的產(chǎn)生。同理，當(dāng)混凝土構(gòu)件中采用的FRP 筋熱膨脹系數(shù)與混凝土差異較大時(shí)，將對(duì)收縮裂縫的形成產(chǎn)生不利影響。因此研究不同種類的FRP 筋對(duì)溫度變化產(chǎn)生的變形情況，對(duì)FRP 筋混凝土構(gòu)件的耐久性具有重要意義。

經(jīng)研究，通常情況下，混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為1.0×10-5，而AFRP 筋軸向溫度膨脹系數(shù)為-6.0×10-5~-2.0×10-5，CFRP 筋的筋軸向溫度膨脹系數(shù)為 0.6×10-5~1.0×10-5[5]，可見AFRP 筋與混凝土的軸向溫度膨脹系數(shù)相差較大且變形方向相反，在混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)過程中更易出現(xiàn)裂縫；研究表明GFRP 筋的軸向溫度膨脹系數(shù)與混凝土較為接近[6]，可在混凝土澆筑后與之產(chǎn)生同向協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而有效抑制混凝土表面裂縫的產(chǎn)生。因此GFRP 筋更加適合作為混凝土抗裂筋的選擇。

4 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為確保亞洲民航系統(tǒng)首創(chuàng)PRT 系統(tǒng)建設(shè)精品工程的要求，施工現(xiàn)場(chǎng)分別采用AFRP 筋、CFRP 筋與GFRP筋作為PRT 專用行車道槽筋進(jìn)行3 組相同環(huán)境條件下的混凝土澆筑試驗(yàn)段做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。PRT 標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 PRT 標(biāo)準(zhǔn)斷面

試驗(yàn)段長(zhǎng)度為10m，混凝土采用C35 現(xiàn)澆，F(xiàn)RP 筋道槽頂層布置形式采用橫向φ10@20cm 布置，縱向φ10@10cm 布置，綁扎連接，保護(hù)層厚度25mm。配筋斷面如圖3 所示。

圖3 配筋斷面

混凝土養(yǎng)護(hù)期環(huán)境溫度20~28℃，采用噴灑薄膜養(yǎng)護(hù)工藝，澆筑后7d 拆模，養(yǎng)護(hù)至混凝土齡期28d 后獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)3 組試驗(yàn)段對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用AFRP 筋作為抗裂筋的試驗(yàn)段A 組在混凝土收縮過程中產(chǎn)生2 條橫向貫通型裂縫，最大裂縫寬度為0.2mm，雖可滿足規(guī)范要求，但對(duì)混凝土構(gòu)件的耐久性會(huì)產(chǎn)生一定影響。而B 組與C 組，分別產(chǎn)生2 條和1條橫向表面裂縫，裂縫寬度不足0.1mm，效果較好。

由于FRP 筋的施工工藝與傳統(tǒng)鋼筋施工存在較大差異，因此3 組試驗(yàn)段在施工過程中存在一定程度的瑕疵，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。但3 組試驗(yàn)段均在相同條件下同時(shí)進(jìn)行，其對(duì)比結(jié)果應(yīng)當(dāng)具有參考價(jià)值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，GFRP 筋的抗裂性能最優(yōu)，CFRP 筋與之相差不大，AFRP 筋最差，與理論分析結(jié)論基本一致。

經(jīng)過市場(chǎng)詢價(jià)，GFRP 筋的市場(chǎng)價(jià)格僅為CFRP 筋的20%左右，經(jīng)濟(jì)合理性方面同樣占具優(yōu)勢(shì)。因此，GFRP 筋憑借其良好的承載能力，優(yōu)異的抗腐蝕性與防裂性能以及造價(jià)更低的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)成為該工程所選材料。

5 FRP 筋施工特點(diǎn)及特殊措施

由于FRP 筋的材料特性，其密度遠(yuǎn)小于同等直徑的HRB400 鋼筋，連接方式也非傳統(tǒng)鋼筋的焊接工藝，無法現(xiàn)場(chǎng)二次加工等特點(diǎn)，因此施工工藝與鋼筋有較為明顯的區(qū)別。

通過對(duì)試驗(yàn)段FRP 筋施工過程的所遇到的問題進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP 筋施工過程中，定位精度控制較普通鋼筋施工困難。因其密度較小，混凝土澆筑過程中存在一定的上浮問題；因其無法采用焊接工藝，綁扎成型后整體性較鋼筋差，在混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的局部偏位問題亦尤為突出。由此分析，試驗(yàn)段A 組出現(xiàn)橫向貫通裂縫與施工過程中AFRP 筋定位精度出現(xiàn)偏差存在一定關(guān)聯(lián)。

針對(duì)以上問題，在后續(xù)正式施工過程中采用與之配套的連接卡件、專用定位連接件對(duì)其進(jìn)行加固，增加GFRP 筋綁扎的整體穩(wěn)固性，以確保GFRP 筋的定位精度，同時(shí)有效改善了混凝土澆筑過程中的上浮問題，如圖4 所示。

圖4 GFRP 的連接定位件

另外，由于FRP 筋生產(chǎn)時(shí)通常采用熱固性樹脂作為其基材，一旦成形出廠后，現(xiàn)場(chǎng)無法進(jìn)行二次加工。因此從FPR 筋的設(shè)計(jì)到施工各環(huán)節(jié)應(yīng)全程采用精細(xì)化設(shè)計(jì)、施工流程，嚴(yán)格控制FRP 筋出廠時(shí)的加工尺寸與精度。

6 結(jié)語

通過以上理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，成都天府國(guó)際機(jī)場(chǎng)PRT 工程最終選用GFRP 筋作為普通鋼筋的替代材料應(yīng)用于PRT 專用行車道槽施工。該項(xiàng)目土建工程已于2021年9月正式竣工，施工質(zhì)量較好，成品效果理想，各級(jí)行政主管部門以及建設(shè)單位評(píng)價(jià)良好，工程質(zhì)量安全可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，得到行業(yè)一致認(rèn)可。目前PRT 系統(tǒng)已進(jìn)入機(jī)電調(diào)試最終階段，專用行車道槽使用情況良好，如圖5 所示。

圖5 PRT 專用道槽竣工實(shí)景

隨著PRT 系統(tǒng)的技術(shù)成熟與應(yīng)用推廣，無金屬環(huán)境、耐腐蝕環(huán)境等特定因素對(duì)工程建設(shè)的要求日益提高，傳統(tǒng)建筑材料將難易滿足科技發(fā)展的需求。FRP 憑借輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。如何從品類眾多的FRP 中，根據(jù)不同的工程特點(diǎn)、受力要求、環(huán)境要素等條件綜合評(píng)判選擇適合的材料類型就成為亟待解決的研究課題。

（1）AFRP 筋因其軸向溫度膨脹系數(shù)與混凝土差異較大，且變形方向相反，不宜作為抗裂筋使用。

（2）CFRP 筋具有優(yōu)秀的抗拉強(qiáng)度，作為抗裂筋使用對(duì)其材料性能的浪費(fèi)較大，加之經(jīng)濟(jì)性較GFRP 差，不推薦作為抗裂筋使用。

（3）GFRP 筋在具備一定抗拉強(qiáng)度的前提下，其軸向溫度膨脹系數(shù)與混凝土較為接近且經(jīng)濟(jì)性更佳，成為FRP 類抗裂筋的首選材料，可適用于普通連續(xù)混凝土路面鋪裝等工程，類似的工程可參考使用。