楊旭

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西　西安　710109）

FRP和RPC在土木工程行業(yè)中的應(yīng)用

楊旭

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西西安710109）

本文簡(jiǎn)單介紹了目前在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的兩種新型材料FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）以及RPC（活性粉未混凝土）的基本概念與性能，并針對(duì)FRP和RPC的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景進(jìn)行了分析探討，以供參考.

FRP；RPC；土木工程；研究與應(yīng)用

在傳統(tǒng)土工工程建筑結(jié)構(gòu)中，其配筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在銹蝕問題，此問題一旦出現(xiàn)就會(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)的耐久性.本文的主要研究方向是分析FRP和RPC的基本概念與基本性能，對(duì)FRP和RPC的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)研究，分析FRP和RPC的發(fā)展前景.

1　FRP和RPC的提出

現(xiàn)階段，土木工程領(lǐng)域中最為常見的結(jié)構(gòu)形式是混凝土結(jié)構(gòu)，中等跨徑的混凝土梁式橋中，恒載作用效應(yīng)占總效應(yīng)的58%左右；大跨徑的混凝土梁式橋中，恒載作用效應(yīng)占總效應(yīng)78%左右［1-2］.從上述數(shù)據(jù)不難看出，減輕鋼筋混凝土的自重能夠顯著提高荷載的有效性，具有十分重要的價(jià)值.應(yīng)用高強(qiáng)度以及高性能混凝土，能夠在一定程度上減小構(gòu)件的幾何尺寸，繼而減少結(jié)構(gòu)自重［3-4］.由于傳統(tǒng)的配筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍面臨著混凝土腐蝕、老化等問題，因此研究其耐腐蝕性以及有效性具有極大的意義.

1.1FRP簡(jiǎn)介

FRP是由多股連續(xù)纖維采用聚酰胺樹脂/環(huán)氧樹脂等基底材料合成后，經(jīng)過特制的模具來成型.FRP最開始是應(yīng)用在航天工業(yè)領(lǐng)域中，在20世紀(jì)80年代后FRP應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域中［5-6］.在土木工程領(lǐng)域中，應(yīng)用FRP材料也存在變形小、成本高、現(xiàn)場(chǎng)加工不便等問題.隨著FRP生產(chǎn)工藝的逐漸成熟，F(xiàn)RP材料在土木工程領(lǐng)域里有了更為廣泛的應(yīng)用前景.FRP具有以下5個(gè)方面的性能：（1）強(qiáng)度高；（2）自重輕；（3）耐腐蝕；（4）抗疲勞；（5）無磁性等.因此，F(xiàn)RP被廣泛應(yīng)用于土木工程建筑結(jié)構(gòu)中.

1.2RPC簡(jiǎn)介

RPC是在20世紀(jì)90年代開發(fā)出的高輕度以及高體積穩(wěn)定性的新型材料，在橋梁建筑工程中應(yīng)用得最為廣泛.從工程應(yīng)用角度來看，RPC具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）RPC可以有效減輕結(jié)構(gòu)物的自重；（2）RPC可以大幅度提高結(jié)構(gòu)物的耐久性；（3）RPC結(jié)構(gòu)具有超高的耐久性；（4）采用RPC設(shè)計(jì)構(gòu)件能夠極大地減少受力筋用量；（5）RPC材料具有耐火性和耐高溫性.RPC是一種超高強(qiáng)的負(fù)荷材料，通過負(fù)荷材料的活性能夠減少微裂縫與孔隙，提高拌合物的密實(shí)度.因此，RPC被廣泛應(yīng)用于土木工程建筑結(jié)構(gòu)中.

將RPC與FRP的優(yōu)異性能進(jìn)行結(jié)合，就能夠形成一種具有優(yōu)良物理力學(xué)性能的配筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，在土木工程領(lǐng)域尤其是橋梁構(gòu)造中可以被廣泛應(yīng)用［7-8］.

2　FRP的研究

土木工程領(lǐng)域針對(duì)FRP的相關(guān)研究已經(jīng)取得了較大的成就.FRP作為一種新結(jié)構(gòu)材料在土木工程領(lǐng)域中做出了較大貢獻(xiàn)，F(xiàn)RP本身所具有的抗腐蝕性能夠在惡劣環(huán)境下代替鋼筋，在巖土工程中得到相應(yīng)使用.FRP纖維復(fù)合材料本身的材質(zhì)較為高強(qiáng)，F(xiàn)RP材料能夠應(yīng)用于建造橋梁的主體結(jié)構(gòu)中.簡(jiǎn)而言之，土木工程建筑中最為重要的材料是混凝土和鋼材，而混凝土與鋼材也是應(yīng)用量最大的2種材料［9-10］.在一般情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下2個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）造價(jià)低廉；（2）承載能力大等，應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)以及橋梁結(jié)構(gòu)中時(shí)，鋼筋的腐蝕性所帶來的后果非常嚴(yán)重.相關(guān)資料顯示，在1958年，加拿大因?yàn)殇摻罡g問題導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)失效損失了50～70億美元.

2.1FRP的組成

FRP被分為以下幾種：（1）碳纖維；（2）芳綸纖維；（3）玻璃纖維；（4）DFRP；（5）PBO-FRP.FRP制品的形式比較多，主要包括以下幾種：（1）FRP棒材；（2）FRP片材；（3）FRP型材；（4）FRP短纖維.FRP的外形特點(diǎn)主要包括以下幾種：（1）平面的；（2）立體的；（3）直線的.

2.2FRP筋的基本力學(xué)性能

FRP筋是以纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基本材料的新型復(fù)合材料.FRP筋具有很強(qiáng)的抗拉性，在材質(zhì)方面較輕，不容易被腐蝕，也不容易受熱膨脹和磁力影響.在品質(zhì)方面，F(xiàn)RP筋超出了普通鋼材.從目前使用的各個(gè)方面來看，F(xiàn)RP筋具有以下缺點(diǎn)：FRP筋的基本力學(xué)性能缺點(diǎn)在于FRP筋材料的抗剪性能差，導(dǎo)致連接配件設(shè)計(jì)難度較大；另外，F(xiàn)RP筋的應(yīng)變能力小、防火性能更差，繼而影響了在實(shí)際土木建筑工程中的相關(guān)應(yīng)用.從上述缺點(diǎn)來看，在土木工程建筑中不可忽視FRP筋上述幾個(gè)方面的缺點(diǎn).FRP筋的基本力學(xué)性能參數(shù)指標(biāo)如下：（1）鋼筋的抗拉強(qiáng)度為483～691MPa、屈服強(qiáng)度為275～413MPa、彈性模量為200GPa、延伸率為＞0.1mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為11.7/10-6°C-1、比重為7.9；（2）鋼絞線的抗拉強(qiáng)度為1379～1861MPa、屈服強(qiáng)度為1033～1395MPa、彈性模量為187～201GPa、延伸率為＞0.04mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為11.7/10-6° C-1、比重為 7.9；（3）GFRP筋的抗拉強(qiáng)度為518～1206MPa、屈服強(qiáng)度為N/AMPa、彈性模量為42～56GPa、延伸率為0.034～0.05mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為9.9/10-6°C-1、比重為1.4～2.1；（4）GFRP絞線的抗拉強(qiáng)度為1378～1723MPa、屈服強(qiáng)度為N/AMPa、彈性模量為48～61GPa、延伸率為0.03～0.045mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為9.9/10-6°C-1、比重為2.4；（5）CFRP筋的抗拉強(qiáng)度為2249～2551MPa、屈服強(qiáng)度為N/AMPa、彈性模量為141～1501GPa延伸率為0.015～0.002mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為0.6/10-6° C-1、比重為 1.6；（6）CFRP絞線的抗拉強(qiáng)度為1651～2411MPa、屈服強(qiáng)度為N/AMPa、彈性模量為151～1651GPa、延伸率為0.01～0.015mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為0.6/10-6°C-1、比重為1.5～1.6；（7）AFRP絞線的抗拉強(qiáng)度為1200～2067MPa、屈服強(qiáng)度為N/AMPa、彈性模量為50～73GPa、延伸率為0.02～0.026mm2mm-1、熱膨脹系數(shù)為-1.0/10-6°C-1、比重為1.25.

2.3FRP在土木工程中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的主要用途是作為新結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

（1）FRP筋具有良好的耐腐蝕性，在環(huán)境較為惡劣的混凝土結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)能夠替代預(yù)應(yīng)力筋；

（2）FRP材料輕質(zhì)高強(qiáng)，如CFRP拉索可以有效提高纜索橋梁的跨越能力，繼而設(shè)計(jì)出更為創(chuàng)造性的橋梁結(jié)構(gòu)；FRP在美國(guó)以及日本等建筑橋梁中有應(yīng)用實(shí)例，F(xiàn)RP筋作為預(yù)應(yīng)力筋能夠廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中.

在20世紀(jì)60年代，人們逐漸意識(shí)到鋼筋腐蝕所帶來的危害性，繼而進(jìn)行深入的研究，尋找到了一種保護(hù)鋼筋的方法（即在鋼筋表面電鍍一種保護(hù)膜）.鋼筋保護(hù)膜降低了抗腐蝕作用，但是鋼筋保護(hù)膜方法的主要缺點(diǎn)是：在短時(shí)間內(nèi)失去了作用.基于此，為了有效解決上述問題，提出使用環(huán)氧樹脂材料作為鋼筋保護(hù)膜的概念，在20世紀(jì)60年代后期將環(huán)氧樹脂材料應(yīng)用于聚合物混凝土中.而環(huán)氧樹脂材料的相關(guān)應(yīng)用影響了鋼筋聚合物混凝土的研究，基于此，專家研究出了FRP筋，F(xiàn)RP筋材料可以用于增強(qiáng)混凝土.在20世紀(jì)末，我國(guó)開始注重纖維復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用.我國(guó)也相應(yīng)成立了土木工程的委員會(huì)，委員會(huì)的成立使得FRP的研究更為專業(yè)，因此在很大程度上推動(dòng)了FRP在土木工程建筑中的發(fā)展進(jìn)程.現(xiàn)階段來看，我國(guó)對(duì)FRP的材料特性結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究.FRP筋的特殊屬性為：（1）非磁性；（2）強(qiáng)度高；（3）抗腐蝕等.

3　RPC的研究

在1993年，法國(guó)實(shí)驗(yàn)室研制出一種高耐久性以及高抗壓強(qiáng)度的水泥基復(fù)合材料.由于提高了組分的反應(yīng)活性，因此被稱為RPC.在1998年，加拿大實(shí)驗(yàn)室就RPC的基本原理以及基本性能等進(jìn)行深入研究，相關(guān)專家認(rèn)為RPC作為一種新型的混凝土具有廣泛的應(yīng)用前景.RPC所具有的低孔隙率功能在力學(xué)基礎(chǔ)性能方面高于其他性能的混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)抗壓強(qiáng)度的高低RPC可以被分為以下2個(gè)等級(jí)：（1）RPC200；（2）RPC800.與同類型的鋼材相比，RPC的

價(jià)格較為低廉，因此在市政工程以及輸送管道建設(shè)中有著極高的價(jià)值.

3.1RPC的材料組成

法國(guó)實(shí)驗(yàn)室所研制的RPC材料由以下幾個(gè)方面組成：（1）水泥；（2）粒徑＜1mm細(xì)砂；（3）石英粉；（4）硅灰；（5）鋼纖維；（6）高效減水劑.在硬化過程中，采取適當(dāng)?shù)某尚凸に嚹軌颢@得RPC.RPC的配置原理：以最大密實(shí)度理論為基礎(chǔ)，以提高組分的活性為輔，減小材料的微裂縫狀況，最終獲得最好的耐久性.在任何情況下，提高顆粒的密實(shí)度是設(shè)計(jì)RPC材料的基礎(chǔ).

3.2RPC的主要性能

與高性能混凝土相比，RPC材料的顯著特點(diǎn)是：耐久性良好、強(qiáng)度高、韌性高.RPC200抗拉強(qiáng)度為170～232MPa、抗折強(qiáng)度為30～60MPa、彈性模量為40～60GPa、材料斷裂韌性為20～40kj*m-2，RPC 800抗拉強(qiáng)度為500～800MPa、抗折強(qiáng)度為45～140MPa、彈性模量為64～75GPa、材料斷裂韌性為1.1～2.0kj*m-2，高性能混凝土抗拉強(qiáng)度為60～100 MPa、抗折強(qiáng)度為6～10MPa、彈性模量為0～40GPa、材料斷裂韌性為0.14kj*m-2.

3.3RPC研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

RPC材料問世不久，在國(guó)內(nèi)外研究其他材料均遠(yuǎn)遠(yuǎn)多過于RPC材料，目前對(duì)其結(jié)構(gòu)構(gòu)件方面的工程實(shí)踐應(yīng)用研究很少，國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文章也較為有限.目前來看，RPC在工程結(jié)構(gòu)中研究不夠深刻.國(guó)外對(duì)RPC的配置技術(shù)研究趨向于成熟，對(duì)RPC的養(yǎng)護(hù)條件以及耐久性等進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明，RPC具有較高的密實(shí)度，在耐久性方面以及抗壓強(qiáng)度方面有很大程度的提高.我國(guó)在超高性能混凝土的應(yīng)用方面起步較晚，但是進(jìn)步速度非?？?在20世紀(jì)50年代之后，我國(guó)使用抗壓強(qiáng)度100 MPa的混凝土進(jìn)行生產(chǎn)，除此之外，武漢理工大學(xué)等高校對(duì)RPC的原材料進(jìn)行相關(guān)研究，為其在工程建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用創(chuàng)造了相應(yīng)條件.

4　FRP和RPC的應(yīng)用研究前景

現(xiàn)階段相關(guān)研究證明，F(xiàn)RP和RPC都具有廣泛的發(fā)展空間，在土木工程領(lǐng)域中也占據(jù)了較為重要的地位.加之FRP具有特殊性，充分顯示出線彈性.把RPC引入到FRP中能夠很好地避免延展性差的問題，要想進(jìn)一步使得FRP和RPC具有更為廣泛的發(fā)展空間則需要進(jìn)一步改善其在具體應(yīng)用中暴露出來的弊端.

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