何翔，姜景山，朱兆悅，王彥,孫遜，姜志煒，徐凱，陳佳龍，沈浪，彭真，顧葛杰，張恒

（南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 FRP基本介紹

FRP是由增強(qiáng)纖維和建筑主體作為原材料并通過(guò)一定的制作加工處理形成的一種新穎材料。相較于鋼管混凝土柱等傳統(tǒng)工程材料，F(xiàn)RP具備更多的良好特性，包括比強(qiáng)度高，在極端條件下也不易被腐蝕，設(shè)計(jì)空間大且靈活。FRP主要分為兩大類：合成和天然兩種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有FFRP和JFRP。目前得到廣泛應(yīng)用的主要有GFRP、CFRP和AFRP。

2 FRP研究進(jìn)展

2.1 人造合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP的研究

人造合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種類主要有四種：CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。這四種增強(qiáng)纖維可用于結(jié)構(gòu)的修復(fù)和加固。

（1）芳綸纖維(AFRP)性能

芳綸纖維（芳香族聚酰胺纖維），是一種人工制造合成的具有高性能的纖維，由芬芳聚?；衔镞M(jìn)行單一方向排序形成，主要有三種:Kevlar、Twaron、Technora。芳綸纖維具有高強(qiáng)度和高彈性模量、不易受到高溫的腐蝕等良好特性，但抗壓強(qiáng)度較低。此外，紫外線和濕氣對(duì)于芳綸纖維的影響較大。

（2）玻璃纖維(GFRP)性能

玻璃纖維分為E-玻璃纖維、C-玻璃纖維、A-玻璃纖維、S-玻璃纖維及M-玻璃纖維等。在土木工程建設(shè)領(lǐng)域中常用的玻璃纖維是E-玻璃纖維和S-玻璃纖維。玻璃纖維的成本較低,可以進(jìn)行廣泛應(yīng)用，彈性模量較差、易受堿性腐蝕，容易開(kāi)裂。由于上述弊端和不足，學(xué)者們?cè)O(shè)想出一種解決方案，通過(guò)提高氧化鋁的用量生產(chǎn)出一種高耐堿型的玻璃纖維―AR纖維。有研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維布（GFRP）對(duì)增強(qiáng)混凝土柱的延性具有更好的效果，而碳纖維（CFRP）布對(duì)提高混凝土柱的極限承載力有更好的效果。因此，玻璃纖維布（GFRP）在增強(qiáng)混凝土柱的延性方面可以發(fā)揮巨大作用。

（3）碳纖維(CFRP)性能

碳纖維有瀝青（Pitch)基、粘膠基及PAN基三種碳纖維，PAN基碳纖維應(yīng)用最廣。根據(jù)碳纖維的力學(xué)性能可以分為高強(qiáng)度和高彈性模量碳纖維兩大類。不同于石墨的六面體結(jié)構(gòu)，碳纖維的石墨微晶結(jié)構(gòu)沿著纖維軸進(jìn)行擇優(yōu)取向。碳纖維和石墨纖維的分類標(biāo)準(zhǔn)取決于纖維含碳量，當(dāng)纖維含碳量大于99%時(shí)，稱為石墨纖維,而當(dāng)纖維含碳量在80%~95%時(shí)，稱為碳纖維。由于碳纖維是各向異性且制造成本較高，因此如何進(jìn)一步減少成本、大規(guī)模應(yīng)用還有待研究。

（4）玄武巖纖維（BFRP）性能

玄武巖纖維是在1 500℃超高溫度作用下、火山巖熔融狀態(tài)下，迅速拉伸制作而成的一種具有連續(xù)性的金褐色纖維，在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。首先在力學(xué)性能方面，玄武巖纖維（BFRP）的強(qiáng)度低于高強(qiáng)度碳纖維，但高于玻璃纖維、芳綸纖維這兩種纖維的強(qiáng)度。其次玄武巖纖維（BFRP）在大部分惡劣環(huán)境下都不易受到腐蝕，尤其是在堿性環(huán)境下，自身的化學(xué)性能幾乎不會(huì)受到影響，依舊保持良好的穩(wěn)定性。再次是玄武巖纖維（BFRP）的造價(jià)十分低廉，僅僅是碳纖維價(jià)格的1/8~1/5左右，甚至與玻璃纖維的造價(jià)相當(dāng)；與玻璃纖維的絕緣性相比，玄武巖纖維的電絕緣性更勝一籌，在耐熱絕緣材料領(lǐng)域也具有一定的價(jià)值;此外，玄武巖纖維還有一些其他優(yōu)勢(shì)，如溫度范圍廣、絕熱隔音、易與樹(shù)脂結(jié)合、材料兼容性能良好等。

2.2 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP的研究

天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的種類主要有兩種：亞麻纖維（FFRP）和黃麻纖維（JFRP）。這兩種增強(qiáng)纖維主要用于結(jié)構(gòu)的約束。Libo Yan等[1]首次提出將天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于約束混凝土和天然纖維混凝土，并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和理論研究。通過(guò)利用堿性溶液處理亞麻纖維，從而提高FFRP的拉伸性能;還進(jìn)行了FFRP約束混凝土和FFRP約束椰殼纖維混凝土的抗壓性能試驗(yàn)和抗彎性能試驗(yàn)，并提出了其抗壓性能、抗彎性能理論分析模型。Yan等發(fā)現(xiàn)FFRP管的約束能顯著提高素混凝土和椰殼纖維混凝土的延性，在抗壓強(qiáng)度方面，GFRP管與FFRP管對(duì)混凝土的約束效果相差不大。但由于天然纖維復(fù)合材料與當(dāng)前生產(chǎn)方法之間低的兼容性，阻止其得到廣泛擴(kuò)散和應(yīng)用，因此對(duì)于如何廣泛應(yīng)用和發(fā)展天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料仍有待進(jìn)一步的研究與探索。

2.3 FRP在土木工程中的應(yīng)用

目前FRP材料的應(yīng)用主要有兩種，一種是將FRP沿柱環(huán)向纏繞，主要用于修復(fù)和加固[2]，另一種是在FRP管中澆筑混凝土，主要運(yùn)用在新建工程中。在混凝土柱子的受拉一側(cè)粘貼FRP,能夠承受更大的荷載，有效避免裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。通過(guò)運(yùn)用FRP對(duì)混凝土柱受損部分進(jìn)行修復(fù)加固與普通混凝土柱子采用黏鋼進(jìn)行修復(fù)加固明顯存在較大的差異，以及如何計(jì)算承載力的方法也不盡相同。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主攻研究方向在于采用FRP進(jìn)行修復(fù)加固混凝土梁的情況下，抗彎截面性能、破壞變形程度、承受荷載計(jì)算、以及FRP加固后混凝土梁的截面變形程度、裂縫開(kāi)裂情況等方面。此外，一些學(xué)者對(duì)FRP預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在不同負(fù)載下的FRP預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)、固定端的錨固、損失的預(yù)應(yīng)力及計(jì)算荷載、傳遞界面應(yīng)力及改善抗疲勞性能等方面進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究和理論分析，并開(kāi)始了土木工程的實(shí)際應(yīng)用。

2.4 FRP與鋼管約束混凝土柱的對(duì)比分析

這兩種混凝土柱的對(duì)比分析可以得到以下兩點(diǎn)：其一是鋼管不僅可以對(duì)環(huán)向進(jìn)行約束，還能承擔(dān)軸向壓力，而FRP是正交異性材料，只能夠承受壓力，提供環(huán)向約束。其二是鋼材為彈塑性材料，可以主動(dòng)約束混凝土；而FRP材料是一種線性彈性材料，應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似為一條過(guò)原點(diǎn)的斜直線，其對(duì)混凝土的約束為被動(dòng)約束[3]。從20世紀(jì)末開(kāi)始，人們的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到FRP約束實(shí)心混凝土柱。這是最根本也是最具有典型性的組合狀態(tài)。還有隨著人們環(huán)保、綠色、可持續(xù)發(fā)展理念的增強(qiáng)，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP的研究也逐漸被重視。曾竟成等[4]研究得到黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（JFRP）的強(qiáng)度比玻璃纖維低，但因其比重低，故其比強(qiáng)度較高；鄭融等[5]研究得到JFRP的比強(qiáng)度是鋁合金的1.1~1.2倍。

3 FRP的應(yīng)用前景

未來(lái)研究方向有以下五點(diǎn)：①對(duì)于FRP約束混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究。②對(duì)天然纖維FRP約束混凝土柱與人造合成纖維FRP約束混凝土柱性能的對(duì)比研究。③對(duì)FRP約束混凝土柱進(jìn)行數(shù)值模擬研究與試驗(yàn)研究相結(jié)合。④不同種類FRP的混合使用將會(huì)成為未來(lái)一個(gè)新的研究方向。⑤對(duì)于各類新型FRP混凝土組合結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

FRP因其質(zhì)量較輕、有較好的硬度、強(qiáng)度高、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，將其作為約束材料制成的FRP約束混凝土柱在土木工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前關(guān)于人造合成纖維FRP的研究國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)比較廣泛，而關(guān)于天然纖維FRP約束混凝土柱的研究較少，混合FRP加固約束有待深入研究。