FRP復合材料在道路路面裂縫安全處治中的運用

張 鑫 代清利 李 偉 張 旭

中國建筑土木建設有限公司 山東 濟南 250000

FRP復合材料主要作用為針對鋼筋展開處理與加固，以解決鋼筋容易生銹的問題。其中FRP筋強度高、重量輕、防腐性能好，可以彌補傳統鋼筋的諸多缺陷。作為近年來興起的一種新型路面，國內外研究開發較少。因此，深入研究使用FRP筋替代鋼筋混凝土路面，提高路面質量，延長路面使用壽命，以豐富我國鋼筋混凝土路面的種類，創新道路路面裂縫處治途徑，具有廣闊的應用前景。

1 道路路面裂縫概述

導致道路路面形成裂縫的因素較多，具體可分為以下幾種：

1）溫度裂縫，溫度裂紋大部分為橫向裂紋，少數為垂直裂紋。路面溫度裂縫的形成主要是混凝土材料的水熱過程造成的。混凝土澆筑時，混凝土會逐漸凝固，但在此期間，混凝土會釋放出大量熱量，需要不斷澆水，以保證混凝土排水過程內外的溫差和濕度正常。但一旦平衡被打破，混凝土因高溫而變形，混凝土體積將繼續增加。內部溫度不能快速釋放，導致混凝土中的拉應力較大。此外，當混凝土路面溫度急劇下降時，混凝土表面會產生強烈的壓縮，內部張力和外部壓縮的相互作用，混凝土材料超過極限抗壓強度后，路面會形成熱裂縫[1]。

2）反射裂縫，道路路面的特點是強度和剛度高、變形能力小、耐高溫或高濕、易撕裂。當基層開裂時，如果表層與基層的粘結效果好，表層會抑制基層，導致基層開裂，瀝青層產生拉應力和拉伸變形。除了運輸荷載引起的應力疊加效應外，當平面層被拉伸或拉伸超過瀝青拉應力時，瀝青層會在相應的基層裂縫底部開裂；如果表面較薄，裂縫可能會從下向上延伸到表面，形成反射裂縫[2]。

3）荷載裂縫，此類裂縫主要分為水平裂縫，也有部分裂縫分為垂直裂縫。橫向裂縫與路面交通不同，與路面中心線呈垂直角度分布。一些嚴重的橫向裂縫不僅很大，而且貫穿整條道路。縱向裂縫的分布方向與道路相同。一些由載荷因素引起的縱向裂縫長度可達數百米。縱向裂縫不斷擴大和延伸，然后與橫向裂縫相交，使道路裂縫成網狀。荷載裂縫主要是由于道路行駛時間長，長期處于荷載條件下，對路面造成較大的荷載。一旦這種向下拉力的值超過路面的抗拉強度極限，裂縫就會從路面底部延伸到表面，導致路面荷載出現裂縫。此外，為了從運輸中獲取更多利潤，一些車輛超載，可能導致道路嚴重擁堵。此外，大量車輛超載，會對路基和路面造成較大壓力，使其無法承受外界和地面拉倒產生的巨大載荷，導致路面開裂[3]。

2 常用FRP復合材料分析

在水泥混凝土中布置一定數量的縱橫鋼筋混凝土涂層，以提高混凝土板對收縮變形的抗裂能力，從而提高普通水泥混凝土路面的抗病性。在交通繁忙、道路排水不暢、道路基礎設施不穩定的情況下，鋼筋混凝土路面具有明顯的技術優勢。目前國內外鋼筋普遍存在易腐蝕鋼筋。腐蝕后，鋼筋的力學性能下降。對鋼筋混凝土結構的可用性和耐久性的影響，也會大幅增加道路安全風險。盡管采取適當的鋼筋腐蝕控制措施，例如：1)使用保護材料或外部措施；2)加強對混凝土本身的保護。但是，這些措施只能在一定程度上緩解鋼筋的腐蝕，根本無法防止問題的發生。鋼筋混凝土路面結構損壞的主要原因是鋼筋混凝土腐蝕引起的路面結構過早斷裂，因此，尋找替代鋼筋的新材料成為近年來的主要研究方向。

FRP復合材料是由纖維基體、環氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂、拉伸拉伸時形成的一種新型復合材料，能夠減少路面修補次數，密度相對較低，相對密度光纖放大器為1.9~2.1g/cm3，重量為1/4，可增加重量，此特點便于運輸、施工、安裝等領域的光纖緊固，減輕結構重量。堅固耐用，纖維棒不生銹，耐腐蝕，可在惡劣條件或超低溫下使用，可用于鹽堿化、高溫、低溫等特殊工程作業。

鋼筋銹蝕引起的結構過早開裂是鋼筋混凝土結構失效的主要原因。人們一直在尋找一種可以在混凝土中替代鋼筋的材料，而FRP復合材料作為鋼筋的替代材料，國外已開發成功。此類材料主要包括CFRP、GFRP和AFRP，在土木工程領域具有廣闊的前景。GFRP具有重量輕、強度高、耐腐蝕、線膨脹系數接近混凝土的特點。它可用于制造鋼筋材料，以替代大跨度混凝土砌塊預制結構，也可加工成包或電纜，用于大型建筑電纜或吊索或路面，以提高道路的質量和耐久性。GFRP筋不僅可以代替鋼筋，而且不用擔心會生銹。加固時，它們比鋼筋具有更大的分散性和抗裂性，可以彌補水泥或混凝土制品的重量、韌性弱和抗沖擊性低等問題[4]。

FRP復合材料廣泛應用于隧道、機場跑道、停車場、路面等領域，同時，由于其無磁性，這類材料還廣泛應用于醫院、科研實驗室、觀測站等場所。1960年，美國開始研究用GFRP鋼筋作為混凝土加固材料。然而，由于GFRP材料的低剪切阻力，在實際應用中遇到諸多挫折。1997年，美國出臺GFRP性能增強試驗規范及預應力梁疲勞性能等中間結果。美國聯邦公路管理局隨后的一項研究，包括預應力梁和橋梁的設計項目，于2000年初完成。此后，美國設計并實施多個研究和示范項目。例如，2004年2月，佛蒙特州建成該州第一座復合橋，長43.9m，寬10.4m。該橋將混凝土橋中的鋼筋替換為GFRP鋼筋，實現智能監控。目前，美國已經成立一個相關的專業委員會（ACI440），為FRP復合材料及其混凝土結構的設計、施工制定標準，并制定測試程序。

3 FRP復合材料在道路路面裂縫處治中的運用

3.1 在水泥路面中的運用

水泥混凝土基體裂縫的基本形態由荷載反射裂縫和溫度裂縫組成，由于溫度、載荷等原因，混凝土層在滑動縫中不能正常工作。在這種情況下，它可能會上升或下降，導致裂縫蔓延到瀝青的上層。增加材料的抗彎剛度可以減小面板的彎曲曲率，可以在滑動縫中填充FRP纖維，或者可以在混凝土中加入短CFRP纖維來增加混凝土板的強度，增加板的抗彎剛度。混凝土板，并減少混凝土板的彎曲變形。因此，提高混凝土結構的抗拉強度和承載能力，混凝土層能更好地適應荷載和溫度的影響，從而控制裂縫的發生[5]。

此外，FRP復合材料還可用于外附裂縫的處理，在實際應用中FRP材料需要與水泥灌漿操作相互結合，其核心是先用注漿壓力處理混凝土裂縫。溶液凝固后，根據結構特點和裂紋形狀，選擇不同的材料進行FRP和FRP表面的粘接/粘貼。接縫有幾種方法：1)FRP面嵌件固定混凝土。具體可以去除混凝土結構碎屑周圍的裂縫，垂直于裂縫方向的裂縫面上插入1-3層FRP復合材料，保證裂縫兩側的FRP筋的錨固長度固定。2)切割FRP固定槽，將FRP筋插入切割好的適合混凝土結構加固的插入面。具體方法：沿裂縫方向垂直開槽，深度10-20mm，槽寬+2mmFRP筋厚度。應清除罐內混凝土和灰塵，罐內壁和FRP復合材料應完全覆蓋埋入罐內的結構膠。FRP復合材料比其他材料具有更大的切割面積和更大的強度。板條嵌入混凝土中，粘合面積大，小于外接觸面，可防止因尖銳物體而斷裂，與其他材料的表面附著力相比，該構件的阻燃性能也更高。

3.2 在瀝青路面中的運用

復合涂層瀝青路面主要產生低溫裂縫和溫度疲勞裂縫。如果提高瀝青路面的抗拉強度，自然會控制溫度裂縫的寬度和數量。同等條件下，GFRP材料的強度大于鋼筋，但延展性也更高，混合瀝青的裂縫無法控制；CFRP材料比GFRP材料具有更高的強度。如果在瀝青路面中加入CFRP材料，可能會降低瀝青的變形量，同時CFRP材料本身的穩定性也較差，即在瀝青路面中加入CFRP材料會降低。因此，CFRP材料更適用于瀝青路面的裂縫控制。由于瀝青路面施工的技術限制，可以將CFRP材料制成細粒板材并添加到瀝青混合料中，這樣即使后期瀝青路面出現裂縫，也可以使用瀝青路面上的CFRP。良好的耐腐蝕性和耐久性，使裂縫的發展可以得到控制。

3.3 在路面改造中的運用

在一些道路裂縫修補工程中，使用FRP復合材料不僅施工方便，而且對改善路面荷載作用顯著，耐腐蝕性能高。通常，FRP織物或FRP面板用于增強可彎曲涂層以增加爐前強度。注意，在維護加固過程中，結構材料可能會發生電反應，因此必須采取相應的預防措施；此外，FRP材料的彈性模量必須滿足設計要求。在一定的腐蝕條件下，FRP筋可以代替普通鋼作為結構鋼，從而提高結構的耐腐蝕性能。例如，FRP筋可用作鋼筋混凝土涂層的主要支撐鋼筋，在實際應用中，FRP與混凝土的粘結是FRP混凝土結構中需要注意的關鍵問題之一。通常，在拉伸成型過程中，FRP表面需要進行特殊的變形或粗加工，以提高FRP與混凝土之間的附著力。加工包括壓花螺紋成型、砂型成型或纖維纏繞。具體來說，影響FRP與混凝土粘結性能的主要因素包括FRP的變形形態、混凝土保護層的厚度、混凝土的強度以及FRP構件的直徑和長度[6]。

3.4 在路面夾層中的運用

對于道路路面而言，瀝青層與混凝土基礎的粘結應力過大或過小，也是瀝青上部出現裂縫的原因。水泥基體和瀝青層之間的層有效地防止反射裂縫。如果中間層要起到增強穩定性和增強涂層的作用，制造中間層的材料必須具有高強度和耐高溫性。在混凝土基體和瀝青層之間使用低模量夾層及其良好的抗變形能力，可以改善裂縫對應力集中尖端的影響，有效控制反射裂縫。

目前，應力吸收層的厚度一般為1.0cm-2.0cm。粘彈性吸收層的強度和彈性模量很大程度上受材料成分和溫度變化的影響。當材料成分一致時，彈性模量在不同溫度下變化很大。吸收層的模量從200MPa到800MPa不等。考慮應力吸收層厚度的影響，通過對不同模量的吸收層進行分析，當吸收膜的比壓降低時，相同厚度瀝青底部的拉應力顯著降低。當應力吸收模量為200MPa、厚度為1cm時，瀝青路面的拉應力降低0.537MPa，比無吸收層壓力降低85.4%。當吸波層壓力模量不變，厚度增加到2cm時，瀝青路面土的拉應力下降到0.32MPa，比吸波層不可鋪設應力低91.3%，因此，安裝應力吸收層以降低瀝青底部的拉應力是一個不錯的選擇。同時，與接近模量的土布相比，應力吸收層對基層瀝青路面的應力增加作用更為突出。結果表明，“應力吸收層”遠優于“應力吸收層”。六邊形網絡雖然已經在很多現有的項目中得到應用，但其有效性已經得到證明，在加強方面也存在很多不足，這也是顯而易見的。因此，必須使用復合材料。FRP復合材料具有良好的耐用性、高拉伸強度和重量輕，正好符合三明治正常工作所需的特性。因此，FRP復合材料的層壓效果更為突出。比如現階段常用的玻璃纖維格柵，可以有效解決增強材料的腐蝕問題，有效防止和減緩反射裂縫的發生，從而延長路面的使用壽命。

3.5 非結構性安全預防措施

1）防止干燥、收縮、裂紋的對策。為了預防干燥、收縮裂縫，①可以選擇適當的材料。選擇收縮率相對較低的水泥材料，如中低熱水泥或粉煤水泥，以控制水泥用量和水灰比。②混凝土的干燥收縮不易受水灰比的影響。水灰比越大，干燥收縮率越大。因此，在設計混凝土配合比時，需要盡可能控制水灰比，同時添加合理量的減水劑來控制配合比。③在街道混凝土技術施工過程中，應控制混凝土配合比，確保用水量低于指示用水量，控制收縮接縫，做好混凝土養護工作。固化時間應適當控制。在溫度低的情況下，需要延長絕緣被覆時間。

2）防止塑性裂紋的對策。為了避免塑性裂紋，還需要使用通常的硅酸鹽水泥或干燥收縮值比較小、初始強度較高的硅酸鹽水泥。同時，要適當控制水灰比，使用高效減水劑，提高混凝土的可加工性和耐久性，并盡量控制水泥用量和用水量。澆注前，必須澆注基層和模具，確保濕潤均勻。使用濕黃麻或榻榻米，在最終拆除前使混凝土保持濕潤或使用固化劑使混凝土適當固化。施工期間溫度高的情況下，需要遮陽和防風對策。

3）防止溫差裂縫的措施。由于溫差裂縫，可以通過提高骨料等級，使用微粉煤灰或高效減水劑降低混凝土的水化熱來控制水泥的使用。同時，需要改進混凝土攪拌方法，采用二次空氣冷卻技術控制混凝土澆筑溫度，減少溫差裂縫。另外，需要在混凝土材料中添加適量的添加劑。外加劑應具有減水和塑化等功能，提高混凝土性能，控制其流動性和保水性。同時，需要減少水化熱，延緩熱峰的出現。考慮到建筑環境的影響，為了控制混凝土的溫升，必須做好防曬和防風工作。由于混凝土結構尺寸對其熱應力的影響（混凝土結構尺寸越大，熱應力越大），需要采用適當的澆筑方法，合理安排澆筑施工工藝，將澆筑層與砌塊分開，確保散熱效果。在大型混凝土結構中，為了控制混凝土結構內外的溫度差，需要安裝使用冷氣或冷水冷卻混凝土的適當的冷卻管。施工前應留有溫控接縫。在施工過程中，需要合理控制混凝土的溫度，混凝土澆筑完成后，要做好維護工作。

4 結語

總而言之，FRP復合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕、耐久性好、環保等特點，可制成板材、型材、棒材等產品替代鋼筋，更有效地控制發生和改善路面不同類型的裂縫，從而延長路面的使用壽命，降低后續維護成本。既符合當前的發展趨勢，又帶來良好的經濟效益。然而，FRP復合材料在耐高溫和抗剪切方面存在一些缺陷。為了更好地利用FRP復合材料防止道路裂縫，如何克服這些不足仍需進一步研究。