FRP 材料在土木工程中的運(yùn)用分析

俞淙水

（重慶外語外事學(xué)院，重慶 401120）

FRP 材料是一種具有代表性的新型建材，在多種建設(shè)項(xiàng)目中擁有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。FRP 材料在實(shí)際應(yīng)用中相比于傳統(tǒng)材料能夠發(fā)揮強(qiáng)度高、剛性大、抗腐蝕性強(qiáng)、密度低等特性，在土木工程行業(yè)中可作為優(yōu)質(zhì)新型材料，促使工程整體建筑質(zhì)量提高。

因此，相關(guān)施工人員應(yīng)當(dāng)充分把握對(duì)FRP 材料的合理運(yùn)用，保證工程建設(shè)實(shí)效增強(qiáng)。

1 FRP 材料概述

1.1 FRP 材料概念

FRP 材料是指纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其主要是由兩種或兩種以上不同物質(zhì)，通過科學(xué)合理的材料設(shè)計(jì)方法或人工合成方式等，使其形成具備優(yōu)越性能的多相固體材料。通常情況下，將結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的基本組成成分分為基體材料、增強(qiáng)材料。將高強(qiáng)度的玻璃纖維以及樹脂基體進(jìn)行有效復(fù)合，促使其具備相對(duì)良好的功能性和結(jié)構(gòu)性的新型復(fù)合材料，即FRP 材料[1]。其起初被應(yīng)用在軍事武器裝備方面，隨后在時(shí)代不斷發(fā)展過程中，逐漸在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，目前在土木工程行業(yè)內(nèi)，對(duì)FRP 材料的運(yùn)用備受關(guān)注。

1.2 FRP 材料特點(diǎn)

FRP 材料具有較為明顯的特點(diǎn)，強(qiáng)度高且比模量大、可設(shè)計(jì)性好、抗腐蝕性與耐久性能良好、熱膨脹系數(shù)優(yōu)越。基于這些特點(diǎn)促使FRP 材料在現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)中得到較好的運(yùn)用效果，能夠滿足未來大跨度、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、重載等土木工程結(jié)構(gòu)發(fā)展需求。因此FRP 材料在土木工程中能夠有效地替代部分或者補(bǔ)充傳統(tǒng)建材，提高建設(shè)效率。

2 FRP 材料在土木工程中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)代土木工程中，F(xiàn)RP 材料投入使用后，能夠發(fā)揮諸多優(yōu)勢(shì)，其具體如下。

1.可設(shè)計(jì)性。將FRP 材料作為土木工程結(jié)構(gòu)材料，能夠發(fā)揮基體材料與增強(qiáng)材料的組合優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用過程中既可保留原組分材料的部分特點(diǎn)，還能夠形成新的材料特性，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，發(fā)揮單一材料滿足土木工程結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)勢(shì)。

2.比強(qiáng)度及比剛度大。結(jié)合當(dāng)前普遍應(yīng)用的FRP材料，如碳纖維及環(huán)氧材料等，其實(shí)際比強(qiáng)度相比于鋁材可高出近6 倍、相比于鋼材高出5 倍，比剛度則能夠達(dá)到鋁材4 倍以上，因此在土木工程中使用FRP材料，有利于縮短建設(shè)周期，降低施工復(fù)雜性。

3.抗疲勞性強(qiáng)。對(duì)于金屬材料來說，其疲勞強(qiáng)度一般在拉伸強(qiáng)度的45%。而FRP 材料在土木工程中的運(yùn)用，疲勞強(qiáng)度可達(dá)到自身拉伸強(qiáng)度的75%，可有效抵抗疲勞效應(yīng)。

4.抗化學(xué)反應(yīng)以及腐蝕能力強(qiáng)。在土木工程中如運(yùn)用傳統(tǒng)的鋼筋建材，為保障良好的施工效果，必須要做好耐腐蝕處理，特別是在潮濕環(huán)境下，鋼筋材料很容易與濕度較大的空氣相接觸，進(jìn)而出現(xiàn)腐蝕問題，難以發(fā)揮其功能。而FRP 材料大多是采用電絕緣材料制成，施工后的構(gòu)件往往具備較好的耐酸、耐堿、耐鹽侵蝕等性能，保障土木工程結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定[2]。

5.優(yōu)越的抗震性能。FRP 材料自身具有較高的自振頻率，與傳統(tǒng)建材相比較，在土木工程結(jié)構(gòu)中通常不會(huì)發(fā)生共振問題，有助于避免或減少出現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)快速脆斷的現(xiàn)象。同時(shí)FRP 材料存在大量界面，能夠表現(xiàn)出很強(qiáng)的振動(dòng)阻尼性，如果激起振動(dòng)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)使其衰減，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

6.過載安全。由于FRP 材料內(nèi)含有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)出現(xiàn)過載時(shí)，僅會(huì)出現(xiàn)少量的纖維斷裂，將所承受的載荷快速分配到尚未被破壞的纖維中，能夠避免土木工程構(gòu)件發(fā)生瞬間喪失承載力的情況，有效規(guī)避結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂問題。

7.具有較好的美學(xué)觀賞性。FRP 材料組分中的材料纖維大多具有較好的柔軟特性，并且樹脂材料可進(jìn)行流動(dòng)，所以在實(shí)際工程中運(yùn)用FRP 材料時(shí)，能夠解決傳統(tǒng)建材形狀受限的問題，并且可根據(jù)工程用途和特點(diǎn)，任意進(jìn)行著色，促使結(jié)構(gòu)型式與材料美學(xué)之間達(dá)成和諧統(tǒng)一的關(guān)系。

8.具備智能化優(yōu)勢(shì)。FRP材料在土木工程中的運(yùn)用，可發(fā)揮智能纖維材料優(yōu)勢(shì)，促使工程結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)智能化特征。比如利用熱電控制技術(shù)制作梁構(gòu)件，其能夠像人體肌肉纖維一般，呈現(xiàn)多種形狀和張力變化，有利于根據(jù)建筑物受到的震動(dòng)情況，合理改變梁固有的剛性和振動(dòng)頻率，有利于減小振幅，保證框架結(jié)構(gòu)使用壽命盡可能延長(zhǎng)，同時(shí)還能夠起到隔絕噪聲的作用[3]。

3 FRP 材料在土木工程中的具體運(yùn)用

3.1 應(yīng)用加固FRP 材料

綜合考慮FRP 材料是由纖維材料混合而成，在強(qiáng)度方面具有相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì)，因此在土木工程加固施工中可得到良好運(yùn)用，有利于提升工程結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和安全性。目前結(jié)合土木工程建設(shè)實(shí)際，F(xiàn)RP 材料主要運(yùn)用在混凝土材料、鋼架結(jié)構(gòu)以及土石結(jié)構(gòu)中，比如在制備混凝土材料時(shí)，使用FRP 材料能夠達(dá)到較好的腳骨效果，通過FRP 材料纏繞有利于提升混凝土的穩(wěn)定性，促使承載力進(jìn)一步提升。同時(shí)也可將該新型材料運(yùn)用到梁、板等位置，有助于提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力，進(jìn)而避免受到外力作用而導(dǎo)致裂縫問題。除此之外，由于FRP 材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，在鋼筋工程中能夠有效保護(hù)工程構(gòu)件，促使其抗腐蝕能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)，有助于防范后期出現(xiàn)質(zhì)量問題或成本增加等。在具體的土木工程加固施工中，對(duì)FRP 材料的運(yùn)用要點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

首先，應(yīng)用在梁體加固層面。針對(duì)梁體的加固主要是借助環(huán)氧樹脂材料，在待加固的梁外部粘貼鋼板，能夠有效增加梁自身的彎曲強(qiáng)度，并且該項(xiàng)施工操作較為簡(jiǎn)便[4]。

其次，應(yīng)用在柱體加固方面。FRP 材料在土木工程結(jié)構(gòu)表面能夠發(fā)揮其纏繞性能，以此對(duì)柱體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生封閉式的包裹覆蓋作用，有利于形成有效的保護(hù)層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加固效果。在具體施工過程中，如果柱體形狀為非常規(guī)的圓柱體形狀，則要求施工人員先對(duì)柱體表面開展相應(yīng)的處理工作。

再次，應(yīng)用在混凝土板加固方面。利用FRP 材料對(duì)混凝土板實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固作業(yè)時(shí)，必須保障FRP 材料的應(yīng)用策略與梁的方法相一致。同時(shí)要將FRP 材料有效粘貼或者嵌入混凝土板體結(jié)構(gòu)的受拉位置，有利于起到良好的保護(hù)作用，防范混凝土板出現(xiàn)損壞以及破裂等情況。

最后，應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)加固層面。在土木工程施工過程中，對(duì)于節(jié)點(diǎn)實(shí)施加固是至關(guān)重要的，其作為結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)建的連接部位，必須保障其具有較好的安全性，以此提高土木工程的整體使用性能和安全性。通過應(yīng)用FRP 材料則能夠促使節(jié)點(diǎn)部位的延展性得到提升，保障其承載力極限值可顯著提高，充分確保土木工程的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)。

3.2 應(yīng)用FRP 筋

根據(jù)FRP 材料的特性，其具有高強(qiáng)輕質(zhì)、工藝簡(jiǎn)單、耐腐蝕性強(qiáng)、電磁絕緣性良好等特性，因此制備FRP 筋可作為一種新型材料，充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，提升土木工程質(zhì)量。比如在當(dāng)前階段的土木工程中，對(duì)于FRP 筋的運(yùn)用主要體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)技術(shù)以及邊坡加固等方面，相比于普通鋼筋材料，F(xiàn)RP 筋能夠表現(xiàn)出更為優(yōu)越的功能性，可作為鋼筋或者鋼索的替代材料。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，其要點(diǎn)如下。

1.盾構(gòu)技術(shù)中應(yīng)用FRP 筋。在地鐵車站等土木工程中，F(xiàn)RP 筋的應(yīng)用能夠發(fā)揮耐久性好、易切割、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，即利用FRP 筋取代普通鋼筋，有利于形成鋼筋混凝土維護(hù)結(jié)構(gòu)，有助于滿足結(jié)構(gòu)施工要求，確保盾構(gòu)機(jī)能夠順利推進(jìn)施工作業(yè)。同時(shí)運(yùn)用FRP 筋可有效減少盾構(gòu)機(jī)鉆進(jìn)過程中，維護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀片所產(chǎn)生的損傷，有助于大幅節(jié)省成本，并可縮短施工周期。

2.邊坡加固中應(yīng)用FRP 筋。有FRP 材料具備相對(duì)較強(qiáng)的耐久性和耐腐蝕性，在土木工程中運(yùn)用FRP 筋，能夠有效替代鋼筋實(shí)現(xiàn)邊坡加固。以某路段工程為例，道路右側(cè)上方的邊坡高度約在30m 左右，其坡度較為陡峭，經(jīng)過勘察，該區(qū)域地層巖性為泥質(zhì)粉砂巖，具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化等特點(diǎn)。為充分保障施工安全，在加固施工過程中采用多層FRP 筋錨桿，有效促使邊坡的穩(wěn)定性大幅提高，保證土木工程質(zhì)量。

3.混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用FRP 筋。對(duì)于FRP 筋在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用，通常適用于特定的條件，一般情況下，在凍融地區(qū)、高鹽堿地區(qū)對(duì)FRP 筋有較好的應(yīng)用效果，其能夠比較顯著地避免出現(xiàn)腐蝕問題，防范對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害，有助于在工程后期減少維護(hù)成本，保證結(jié)構(gòu)使用期限得到延長(zhǎng)，確保混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用FRP 材料組合結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代土木工程實(shí)踐中對(duì)于FRP 材料的運(yùn)用，越來越注重組合結(jié)構(gòu)形式，以此進(jìn)一步提升材料性能，有效融合不同組合類型的特點(diǎn)，充分實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而構(gòu)建全新的結(jié)構(gòu)體系。在具體工程項(xiàng)目中，對(duì)于FRP 材料組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要點(diǎn)如下。

1.FRP 管混凝土。通過利用填充的方式制備符合土木工程建設(shè)要求的結(jié)構(gòu)組件，有助于提升對(duì)混凝土起到較好的約束性，保障施工效率和質(zhì)量得到提高。在施工作業(yè)環(huán)節(jié)，對(duì)FRP 管混凝土的運(yùn)用，則是在相應(yīng)的管中填充混凝土，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力和穩(wěn)定性，有效降低自身重量，使其具有較強(qiáng)的耐用性。目前階段在土木工程施工中，對(duì)于FRP 管混凝土的應(yīng)用范圍較為廣泛，在未來發(fā)展前景廣闊。

2.FRP 鋼管混凝土組合構(gòu)件。其是指在整體的土木工程結(jié)構(gòu)中，合理安裝空心鋼管，然后再進(jìn)行混凝土填充作業(yè)，能夠充分對(duì)鋼筋材料起到較好的保護(hù)效果。同時(shí)也能夠?qū)炷廉a(chǎn)生一定的約束作用，切實(shí)提升土木工程結(jié)構(gòu)的抗變形能力、承載力，進(jìn)一步保證工程施工質(zhì)量符合建設(shè)要求。

3.FRP 混凝土組合梁。在實(shí)際土木工程施工中，可借助混凝土施加壓力，有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)組合的目的，能夠充分展現(xiàn)FRP 材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此在土木工程的永久性模板中合理運(yùn)用FRP 組合梁，能夠在很大程度上滿足工程后期的施工質(zhì)量要求。

4.CFEP 鋁合金組合構(gòu)件。在土木工程中可運(yùn)用新型的鋁合金組合構(gòu)件，即將FRP 材料設(shè)置在構(gòu)件的外表面，可有效提升構(gòu)件的耐腐蝕性，進(jìn)而解決FRP 材料現(xiàn)存的脆性較大等問題，并能夠提升土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐腐蝕性，保證各個(gè)構(gòu)件能夠有效連接。

5.FRP 木組合構(gòu)件。為有效滿足現(xiàn)代土木工程施工要求，可將FRP 材料與木材進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠促使工程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變受力特點(diǎn)，并增強(qiáng)木制材料的抗火能力。在具體實(shí)踐中應(yīng)用FRP 木組合構(gòu)件，還能夠比較顯著的提升結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，有效對(duì)負(fù)載壓力進(jìn)行緩解，促使整體工程成本支出有效降低。

4 FRP 材料在土木工程中的發(fā)展展望

近年來，F(xiàn)RP 在土木工程中的應(yīng)用研究已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的熱門學(xué)科，并對(duì)相關(guān)技術(shù)研發(fā)以及推廣重視程度日益提升。特別是在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)逐漸趨向高質(zhì)量的背景下，對(duì)土木工程質(zhì)量有更高的要求，由此對(duì)FRP 材料的應(yīng)用實(shí)踐也將越來越普遍，在未來市場(chǎng)中具有廣闊的發(fā)展?jié)摿涂臻g。基于此，在未來發(fā)展階段，土木工程將持續(xù)加大對(duì)FRP 等新型材料的運(yùn)用力度，將其作為傳統(tǒng)建材的重要補(bǔ)充。同時(shí)，由于我國是現(xiàn)階段國際上土木工程行業(yè)FRP 使用量最大的國家，因此還需結(jié)合具體的土木工程建設(shè)情況，深入研究和開發(fā)更多的新型FRP 復(fù)合材料，進(jìn)而滿足現(xiàn)代土木工程技術(shù)要求，積極拓展現(xiàn)代復(fù)合材料應(yīng)用市場(chǎng)。綜合國內(nèi)建設(shè)行業(yè)對(duì)FRP 材料的理解，主要集中在對(duì)既有結(jié)構(gòu)的加固和簡(jiǎn)單的應(yīng)用層面，所以在未來一段時(shí)間內(nèi)，針對(duì)FRP 材料的研究，將注重對(duì)低成本FRP 鋼筋材料的研發(fā)和批量生產(chǎn)，充分發(fā)揮FRP 材料的耐久性、抗震性、火容性等優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提高土木工程的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。另外，隨著我國重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及各行業(yè)建筑物建設(shè)活動(dòng)頻繁開展，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和使用壽命的需求逐漸增加，相關(guān)材料科學(xué)及工程技術(shù)人員等，應(yīng)當(dāng)在未來注重對(duì)FRP 材料的研發(fā)和改進(jìn)，以此形成發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁、市場(chǎng)容量巨大的新興產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)土木工程材料創(chuàng)新發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)階段土木工程行業(yè)的高速發(fā)展，大量先進(jìn)技術(shù)與材料得到良好應(yīng)用，進(jìn)一步提升工程建設(shè)質(zhì)量。FRP 材料是一種具有高耐腐、高強(qiáng)度、輕質(zhì)的新型建材，在土木工程施工中合理應(yīng)用可發(fā)揮諸多優(yōu)勢(shì)，保證工程建設(shè)水平和效率大幅提高，并能夠確保施工過程的安全性，減少成本投入。因此，在具體工程實(shí)踐中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)充分把握對(duì)FRP 材料的應(yīng)用要點(diǎn)，及時(shí)注重采用FRP 材料對(duì)工程進(jìn)行加固，有效運(yùn)用FRP 筋對(duì)盾構(gòu)施工、邊坡加固以及混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化施工提供良好的支持，同時(shí)通過FRP 材料組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化工程整體安全性和穩(wěn)定性，切實(shí)推動(dòng)土木工程可持續(xù)發(fā)展。