纤维增强塑料筋在土木工程中的运用研究.pdf

第 4 3卷第 1 2期 2 0 1 4年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 3 N o 1 2 D e c e mb e r ， 2 0 1 4 纤维增强塑料筋在 土木工程中的运用研究 王 荣 贤 ( 郑州大学， 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 纤维增强塑料筋在土木工程中的使用是 目前建筑行业的热点之一，纤维增强塑料筋可以有效克服 传统钢筋在使用过程中的面临的腐蚀性。在综合国内外相关资料的基础上对纤维增强塑料筋的使用情况进行研 究总结，提出了展望和需进一步解决的问题 关键词 ：纤维增强塑料；土木工程；运用 中图分类号：T Q 3 2 0 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 1 - 0 4 6 0( 2 0 1 4)1 2 - 2 6 9 9 - 0 3 Appl i c a t i o n o f Fi be r Re i nf o r c e d Pl a s t i c Ba r i n Ci v i l En g i ne e r i ng WANG Ro n g- xi an ( Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y , He n a n Zh e n g z h o u 4 5 0 0 01 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Ap p l i c a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c b a r i n c i v i l e n g i n e e r i n g i s o n e o f t h e h o t s p o t s o f t h e c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y , fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c b a r c a n e ffe c t i v e l y o v e r c o me t h e c o r r o s i o n p r o b l e m o f t r a d i t i o n a l s t e e 1 I n t h i s p a p e r , b a s e d o n d o me s t i c a n d f o r e i g n r e l e v a n t d a t a ，a p p l i c a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c b a r wa s d i s c u s s e d ，a n d s o me p r o b l e ms n e e d i n g t o s o l v e we r e a n a l y z e d ， the d e v e l o p me n t p r o s p e c t o f fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c b a r wa s p u t f o r wa r d Ke y wo r d s ： F i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c ； Ci v i l e n g i n e e r i n g ； Ap p l i c a t i o n 随着我国经济 的进一步发展 ，基础设施建设和 房地产开发也飞速发展 ，土木工程 中需要大量的建 设材料 ，传统 的钢筋混凝土结构虽然在强度上具有 一 定的优势 ，但是却存 因质量较大柱体要承受较大 重量影响设计空间，混凝土中的钢筋容易受外界因 素影响或者碳化而导致锈蚀，随着时间推移出现腐 蚀刚性退化的不足之处 ，如何使钢筋混凝土结构耐 腐蚀性增强 ，提高工程使用期限 ，是土木工程领域 需要解决的一个重要问题 。同时随着建筑设计 的要 求，有些建筑如桥梁、码头、机场、等建设中需要 具有高强度 、轻质、耐腐蚀 、无磁性等优异性能的 材料。为了解决面临的问题，借助材料学学科的发 展和大量 的研究 ，纤维增强塑料( 英文简写为 F R P ) 的出现为解决建筑行业这一问题提供了可能，纤维 增强塑料筋在土木工程中替代钢筋使用解决了钢筋 混凝土耐久性不足和质量过大的实际问题 ，因此本 研究在前人研究的基础上对纤维增强塑料的运用情 况进行研究分析，为进一步使用纤维增强塑料提供 理论和是实践指导。 1 研究现状 1 1 纤维增强塑料概念及成分 概念上纤维增强塑料筋是一种由增强和基体材 料组成的复合型材料，其主要组成成分是高性能纤 维，基体材料主要是合成树脂，高性能纤维主要分 为有机纤维与无机纤维两种 ，其 中有机纤维的主要 有芳纶纤维和混杂纤维两种 。无机纤维品种较多像 玻璃纤维 、金属纤维 、石英玻璃纤维、碳纤维等。 目前建筑行业 中玻璃纤维增强复合材料 、钢纤维增 强复合材料碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复 合材料和混杂纤维增强复合材料是建筑工程中最常 采用 的复合材料。 1 2 国内外研究现状 纤维增强塑料作为一种新型建筑材料的出现 ， 在建筑行业中用来替代钢筋或钢板 ，首先起源于发 达国家 ，纤维增强塑料在 国外研究和应用均开始较 早。2 0世纪 7 O年代，德国、日 本、美国等国家就 开始研究纤维增强塑料 材料 在混凝 土结构 中的应 用，1 9 9 3年世界上第一个关于 F R P材料的建筑混 凝土结构设计规范在 日 本制定并执行，欧洲关于 F R P筋 的设计规范也正在编制过程相对比较晚。虽 然我国对 F R P材料的研究 和在混凝土结构 中的应 用研究起步较晚，但随着但近年来许多建筑研究机 构及高校科研院所加入， ( 如东南大学、 同济大学等) 已开始进行深入研究 ，并取得 了一些研究成果 ，其 中粘 F R P板加固法的研究 已接近国际先进水平。同 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 6 3 0 作者简介 ：王荣贤 ( i 9 6 4 一) ，河南郑州人 ，高级工程师，2 0 1 1年毕业于郑州大学土木工程专业，研究方 向：土木工程 ，从事工程造价管理技术 工作。 2 7 0 0 当 代 化 工 2 0 1 4年 1 2月 时对纤维增强塑料使用过程中的强度 、变形等进行 研究分析，在张亚坤 纤维增强塑料筋混凝土板的 变形研究 ( 长江科学院院报 ，2 0 1 3 9 ) 通过纤维 增 强塑料筋混凝 土 四边简支双 向板 的冲切性能试 验 ， 得到试验双向板的荷载 一挠度曲线以及挠度分 布图，试验表明，为纤维增强塑料筋加强混凝土结 构在工程中的应用和对混凝土板冲切问题的深入研 究可提供试验依据。李炳宏在 纤维增强塑料筋混 凝土梁抗弯设计数值分析) ( 长安大学学报， 2 0 1 1 9 ) 一 文中根据极 限强度理论 ，采用对混凝土构件正截 面分层的方法， 对构件的弯矩一 曲率关系和荷载一 挠 度关系进行了数值计算 ，研究结果表明由于纤维增 强塑料筋抗拉弹性较低 ， 和传统钢筋混凝土梁相比， 纤维增强塑料筋混凝土梁刚度较低是其不足之处。 周俊龙 玄武岩纤维增强塑料筋耐腐蚀性研究 ( 土 木建筑与环境工程 ，2 0 1 1 6) 研究认为玄武岩纤维 增强塑料筋耐氯化钠盐溶液腐蚀性能较好，而耐碱 腐蚀性较差， 其原因主要是因为原材料中的连续玄 武岩纤维的耐碱性较差。对于将玄武岩纤维增强塑 料筋 长期使用在混凝土 中必须对其耐碱性进行改 性。刘冬梅 纤维增强塑料筋在土木工程中的应用 探讨 ( 工程技术，2 0 1 4 7 ) 近年来纤维塑料增强筋 的应用逐渐成为一个研究热点。纤维塑料增强筋具 有的轻质 、 耐腐蚀、高强、抗疲劳、低弹性模量、 比重小等优点使其在土木工程 中 日益得 到广泛应 用。整体上来说纤维增强塑料在建筑行业的应用研 究已经比较深入，在具体使用方面也积累了不少的 经验 ，并根据使用环境对纤维增强塑料进行 了适当 的改造 。 2 纤维增强塑料筋在替代钢筋中的 运 用 2 。 1 新型纤维塑料筋在桥梁建设工程中的使用 桥梁工程建设是土木工程的一个重要分支，古 代桥梁以简单通行主， 载重不大， 材料多用石料等， 桥面纵坡可以较陡，甚至可以铺设台阶。随着工业 化进程的发展 ，现代桥梁所承受 的载重逐倍增加 ， 而且为了实现迅捷交通 ，有时要跨越更大更深 的江 河 、峡谷 ，这就迫使桥梁建设向大跨度发展 。传统 的钢筋混凝土在解决桥梁基础建设方面有不可替代 的作用，但是随着桥面工程跨度的增加，混凝土材 料虽然能提供一定的强度满足桥梁工程需要 ，但是 由于混凝土 自身重量过大 ，对桥梁工程 的跨度有一 定 的制约 ，需要新型材料解决传统建筑材料质量过 大 ，耐腐蚀性不强的问题 。纤维增强塑料作为一种 新型建筑材料 ，具有强度大 、密度小 、耐腐蚀的特 点，相同直径的钢材相比，具有重量轻，强度大的 在 ，有研究显示相同直径下纤维增强塑料筋大于钢 筋强度 ，同时质量又远远小于钢材 ，因此纤维增强 塑料筋的使用在保持或增强桥梁工程强度的同时还 可以解决桥梁工程 自重过大问题 ，纤维塑料增强用 于混凝土中替代钢筋， 特别是在水中或者土中使用， 明显可以降低腐蚀对强梁的危害，减少维护保养费 用，增强桥梁使用时间，在桥梁建设主体框架和桥 面建设中使用纤维塑料筋替代钢筋可明显减轻桥梁 工程结构本身质量。由于新型纤维塑料筋本身具有 质量轻 ，强度大的特点 ，因此在桥梁施工中可以有 效降低施工荷载、布筋劳动强度及劳动成本。新型 纤维塑料筋在桥梁建设 中首先在国外开始 ，大量使 用新型纤维塑料筋取代钢筋的是美国 D E L 3 5 1 桥， 该 桥 根 据 美 国 国家 高 速 公 路 和 运 输 者 协 会 ( A A S H T O )的技术条件设计 ，是美国第一座新型纤 维塑料筋构成的全复合材料桥 ，主体上该桥由两块 复合材料桥面板构成 ，每块桥面质量只有水泥桥 面 的十分之一 1 ，该桥梁的建成为桥梁建设采用复合 材料奠定了基础，另外使用新型纤维塑料筋取代钢 筋建成的复合大桥还有加拿大 J o ff桥 、 日本飞翔桥 、 丹麦 H e r n i n g斜拉桥等，国外这些成功的桥梁建设 案例说 明在桥梁建设 中 ，只要设计合理 ，适当采取 纤维塑料增强筋对传统钢筋进行替代是土木工程的 发展，是解决 目 前传统混凝土材料面临腐蚀导致刚 性不足和的途径之一 ，实践也证明新型纤维塑料筋 是解决混凝土 自重太大的方法之一。 2 2 海洋工程建设中纤维塑料增强筋的应用 海洋总面积约为 3 6亿 k m。 ， 约占地球表面积 的 7 1 ，随着社会的发展 ， 人们不仅仅局限于陆地上 的生活发展，为了获取更多的资源， 人们越来越多 的加大对海洋的开发 。 因此海洋工程得 以迅速发展 ， 大量的工程涉及到海洋 ，就其概念而言 ，海洋工程 是指 以开发和利用海洋资源 ，保护 良好海洋生态环 境恢复为目的，而进行的和海洋有关的土木工程建 设 ，如各种堤坝工程 、码头、人工岛、海上油田设 施 、跨海桥梁等 ，海洋工程不是现在才有 的概念 ， 文献资料研究发现 ，公元前 1 0 0 0多年地中海沿岸 国家在 已开始进行有关航港设施 的建设 ；我 国远在 公元前 3 0 0 多年就在沿海设立通商港口并进行相应 建设 ，荷兰在中世纪初期也开始建造海提 ，随着现 代工业 的发展和国防需要 ，海岸工程得到了飞速发 展 ，已经成为土木工程的重要组成部分 ，为了加强 对海洋资源的控制 ，各 国都加大 了海洋工程的开发 第 4 3卷第 1 2期 王荣贤，等：纤维增强塑料筋在土木工程中的运用研究 2 7 0 1 力度。 研究发现根据不 同的使用用途云，海洋工程也 形成了不同的结构型式，但不管哪种结构，面临最 突 出的问题就是海洋工程基础设施建设 中的结构防 腐问题，面临海水侵蚀，海洋工程设施中筋混凝土 结构易受到海风中盐粒子的腐蚀而发生明显的早期 劣化 ，也容易受外界的影响如海水 、空气中的氯离 子等。出现碳化导致混凝土刚性耐久性不足，实践 也证明沿海地 区很多混凝土建筑物 中钢筋的因为过 多的受到空气中氯化物离子的影响而腐蚀，尤其是 港口及水道的钢筋混凝土护岸桩、承载桩及板桩设 施由于氯离子的侵蚀和冻融的作用容易损坏，为了 解决海洋工程建设中发生的混凝土钢筋腐蚀问题， 延长海洋工程建筑使用年限 ，目前在建 的海洋工程 在结构上一般采用钢混结构 ，在此基础上采用加大 混凝土防护墙 ( 保护层 )的办法对海洋工程进行防 护 ，增加 了工程成本 ，但是保护后 的混凝土结构的 使用年限也大约只有 2 O年 ， 根本达不到海洋工程耐 久性要求p 。新型纤维塑料筋 F R P具有优良的抗腐 蚀物理性能，克服了传统钢筋混凝土的不足，目 前 纤维塑料增强筋在海洋工程中的应用典型的代表是 日本 S mi t o mo化工有限公司兴建的一座码头。码头 建设大量采用纤维塑料增强筋，码头建成以后进行 了荷载试验 ，实验结果表明该码头能够完全满足使 用的要求。现有使用新型纤维塑料筋的桥梁工程说 明 ，只要严格按照海洋工程设计要求 ，纤维增强塑 料筋能够满足海洋工程 中的建设要求 ，克服混凝土 的缺点。建设有质量保障的海洋工程 。 2 3 岩土工程建设中纤维塑料增强筋应用 岩土工程是在土木工程实践中逐步建立完善起 来 的一种新的技术分类。 本质上是土木工程的分支 ， 欧美国家于就开始对岩土工程进行相关研究，认为 岩土工程是解决各类建设工程中关于岩石 、土的工 程技术问题的科学。岩土工程在土木工程 中占有很 重要 的位置。在岩土工程 中，为了减少 自然灾害 ， 降低危害，如滑坡等问题 ，通常使用高抗拉强度的 钢材锚杆用于岩土锚 固，防止塌方或者其他影响工 程现象的发生 ，但很多岩土工程实例都不 同程度的 体现出固定设备发生腐蚀的现象，原因可能是随着 时间的推移， 水泥不断水化生成 C a ( O H ) ， 所 以对钢筋 进行腐蚀， 也可能是由于不同的岩体具有一定的腐 蚀性 ，导致工程过程 中锚杆不同程度腐蚀 ，导致钢 锚锚 固工程失效 】 ，随着材料学科的发展 ，纤维塑 料增强筋作为一种新型建筑材料进入 了沿途工程领 域 ，由于纤维塑料增强筋具有优越的抗腐蚀性能， 能适应恶劣外部环境增强使用寿命。因此国外岩石 工程中逐渐尝试应用纤维塑料筋代替金属锚杆，从 而克服钢锚杆在恶劣地质条件下因腐蚀而产生的潜 在危害 ，目前纤维塑料筋已被大量用于临时建筑工 程 中基坑防护等岩土工程 ，实践证明纤维塑料满足 岩石工程设计使用 中的各项要求 。 2 4 纤维塑料增强筋在预防灾害过程中的应用 随着大型土建工程 的开发 ，在工程过程中随时 要注意自然灾害的发生 ，如道路护坡的固定、滑坡 的预防、大型工程基础保护等，目 前采用的方法一 般是采用预应力锚 固支护技术 ，通过前期布设相应 预应力钢绞线锚杆 ，形成一定的规模防护，但是因 为钢绞线锚杆存在腐蚀隐患，长期使用后还是会带 来很大的工程或者生活隐患。随着纤维塑料技术的 发展 ， 有效克服了钢筋笨重和腐蚀的缺点，用预应 力纤维塑料增强筋取代预应力钢绞线锚杆是建筑材 料使用的一项改革和创新。使用纤维塑料增强筋后 可以消除钢筋锈蚀潜在的工程安全隐患。使用纤维 塑料增强筋可减少后期维护次数 ，如三峡水 电站成 功蓄水后 ，从理论上讲一部分山体与边坡将埋于水 底 ，若干年后一旦预应力钢绞线锈蚀而失去保护能 力， 导致山体或边坡发生滑移， 结果将是灾难性的， 因此使用预应力 F R P筋预防克服传统钢筋混凝土 中钢筋容易被腐蚀而导致潜在危险，具有一定的可 行性 3 结 论 纤维增强塑料作为一种新型建筑材料的出现， 在建筑行业中用来替代钢筋或钢板，减少钢筋腐蚀 对土木工程的损害。纤维增强塑料在国外研究和应 用均开始较早。在实际应用中也取得了一定的成绩 和应用经验。 我国对 F R P材料的研究和在混凝土结 构中的应用研究起步较晚 ，但是发展 比较快 ，实践 证明纤维增强塑料筋的使用可以有效克服传统钢筋 混凝土的不足之处，纤维增强塑料筋具有的轻质、 强度高特点可以满足大型桥梁工程需要 ，在特殊行 业中也有一定应用。但是应加快科技投入力度，解 决纤维增强塑料本身存在脆性的不足之处。 参考文献： 1 J T J 0 5 3 9 4公路工程水泥混凝土试验规程I S 2 0 1 1 2 杨利伟 混凝土碳化的影响因素及其控制措施 J 】 _ 建筑技术开发 ， 2 0 0 5，3 6 f 2 1 ：4 0 3 郝庆 多纤维增强塑料筋在土木工程中的应用叫 混凝土， 2 0 0 6 ， 2 0 3 ( 9) ：3 8 4 0 4张亚坤 纤维增强塑料筋混凝土板 的变形研究 J 长江科学院院 报 ，2 0 1 3 ，3 0( 9) ：1 0 6 1 0 9 5 李炳宏纤维增强塑料筋混凝土梁抗弯设计数值分析f J 1 长安大学学 报 ，2 0 1 1 。3 1( 5) ：5 1 5 6