FRP材料在混凝土结构中的研究与应用

2016-03-16马滨

环球市场 2016年14期

关键词：砌体复合材料纤维

马滨

芜湖市建昌工程质量检测中心有限公司

FRP材料在混凝土结构中的研究与应用

马滨

芜湖市建昌工程质量检测中心有限公司

加强纤维复合材料(FiberReinforcedPlastic，FRP)是工业中常用的复合材料，其具有耐久性好、抗腐蚀性强、比强度高、自重轻、抗拉强度高、热膨胀系数接近混凝土、磁电屏蔽、施工方便和使用寿命比较长等优点，但是FRP的价格比较高，对FRP在混凝土中应用有很大的制约。随着社会经济的快速发展，FRP的市场竞争非常激烈，也推动了FRP技术的进步，FRP材料的价格大幅下降，在实际的混凝土施工过程中，FRP具有良好的经济可行性，近年来在混凝土结构中的应用逐渐增多。本文就对其进行研究和分析。

FRP材料；混凝土结构；应用；加固

1　材料特性

FRP由于主要材料是各种纤维，因此其比重极小，与钢材相比只占其1/6左右，在相同的直径条件下，FRP的强度对重量比和刚度对重量比可达到钢筋的十几倍，由于这样的特点，使得结构的布筋工作劳动强度大幅降低，节约人力成本，而且其轻质高强的特点也使得结构本身的自重大幅减轻，提高结构的抗震能力，尤其对于大跨度斜拉桥及各种悬索桥来说使用FRP有助于提高桥梁结构的极限跨径，使建筑具有更大的设计空间，而且具有节材的特点。对于FRP来说其热膨胀系数根据纤维的种类、纤维的含量以及基体树脂的种类不同而有差异，一般来说，纵向热膨胀系数与纤维有关，而横向热膨胀系数与树脂有关，纵向热膨胀系数往往低于横向热膨胀系数，而且，FRP的热膨胀系数与混凝土十分接近，因此在温度发生变化时，FRP与混凝土结构二者基本可做到同等幅度的膨胀和收缩，因此二者之间的粘接面基本不会受到破坏，确保了FRP与混凝土实现协同工作。然而，FRP也不是在各个方面均强于普通钢筋，不同纤维成分的增强塑料筋的力学性能具有较大差别，且FRP本身属于脆性材料，其拉伸应力与应变具有正比例关系，在材料达到抗拉强度极限之前不会如普通钢筋那般产生塑性改变，因此不利于结构的安全性。

2　FRP材料在国内外的发展应用状况

2.1国外发展及应用状况

目前，国外科研机构和高等学校已对FRP加固修补混凝土结构，尤其是抗震动加固的性能与效果进行了大量的研究，并在此基础上形成了自己的行业标准和规范。在瑞士EMPA实验室，德国IBMB研究院，最早开始了不同的FRP材料加固混凝土结构的研究，并用于桥梁的补强加固工程。美国也是世界上最早利用复合材料的国家之一，但将FRP材料用于加固混凝土结构是在20世纪80年代后期，在1991年FRP应用于桥面板补强加固中。英国在1994年启动了RORUST，用于研究FRP加固修复钢筋混凝土桥梁和预应力桥梁。由于近20年的研究与实践，这项技术在国外已近成熟，并形成了自己的设计和施工准则。目前，国外FRP在混凝土结构中的应用主要包括以下几个方面：短纤维加入新混凝土中制成FPR混凝土用于新结构，已有一定的工程实例；用棒状CFRP代替钢筋制成CFRP筋混凝土，用于海洋结构及对电磁波有特殊要求的结构，国外已有研究并开始应用；把FRP加工成绳状用于混凝土结构的拉索或悬索结构，但锚具问题尚未很好地解决；在新建结构中与混凝土一起制作成预制混凝土板，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等特点，已有部分工程应用。

2.2国内发展及应用状况

我国在2003年由中国工程建设标准化协会推出了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146：2003)，但我国在FRP材料加固混凝土结构中，研究受弯构件的较多，很多都是重复性实验，研究内容大多集中在加固机理、加固方法与设计原则等内容；另外国内研究工作中多数为从事结构工程方面工作的。在研究过程中，没有结合具有丰富复合材料研究经验的人员，所以不能将先进的复合材料制造技术融入加固技术中，不能及时注意到加固中出现的复合材料性能的问题，也就不能充分发挥复合材料的优异性能。

3　FRP在混凝土结构中的应用

3.1抗剪抗弯加固

抗剪抗弯加固方法可以分为三类：FRP嵌入式加固技术、预应力加固和外包/外粘FRP混凝土结构加固技术。目前大部分研究都集中于外包/外粘混凝土加固技术，采用这种形式的加固技术主要有对梁和板使用FRP材料加固。

3.2砌体结构的加固

混凝土结构中砌体结构的地位比较重要，很多砌体结构的使用价值比较高。由于抗震标准和结构设计的提高、设计与施工隐患、设计基准期的接近以及人们对建筑物质量要求的提高，都对混凝土的耐久性、实用性及安全性提出了很高的要求，砌体结构需要进行维修和加固。FRP材料加固技术能适用于墙体承重能力不足及墙体开裂情况下的加固，还能避免传统砌体结构加固过程中存在的不足。FRP材料加固技术具有空间利用率高、不会增加结构体积与自重、加固效果明显、施工方便等优点。

3.3梁的加固

使用FRP材料加固梁的方法与传统粘钢加固方法基本相同，首先要打磨、整平混凝土表面，并进行清灰和干燥，保持混凝土表面平整、干净。在梁的加固过程中，常采用非预应力FRP加固，这种方法施工简单，不需要设备，工期也比较短，能提高修复加固的速度。根据钢筋混凝土梁的加固形式不同，应采用不同的材料进行加固。

3.4复杂环境下的下部结构加固

由于自然环境的变化，复杂环境下的地下建筑结构出现抗力衰减和性能劣化的现象，由于地下环境比较复杂，并且条件比较恶劣，FRP材料的性能稳定，能解决复杂地下环境下结构的破坏，在实际的混凝土结构加固中有使用FRP对水下基础进行加固的案例。