FRP和RPC在土木工程行業(yè)中的應用

楊旭

（西安科技大學高新學院，陜西　西安　710109）

FRP和RPC在土木工程行業(yè)中的應用

楊旭

（西安科技大學高新學院，陜西西安710109）

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

FRP；RPC；土木工程；研究與應用

在傳統(tǒng)土工工程建筑結構中，其配筋混凝土結構普遍存在銹蝕問題，此問題一旦出現(xiàn)就會影響到建筑結構的耐久性.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FRP和RPC的應用現(xiàn)狀進行詳細研究，分析FRP和RPC的發(fā)展前景.

1　FRP和RPC的提出

現(xiàn)階段，土木工程領域中最為常見的結構形式是混凝土結構，中等跨徑的混凝土梁式橋中，恒載作用效應占總效應的58%左右；大跨徑的混凝土梁式橋中，恒載作用效應占總效應78%左右［1-2］.從上述數據不難看出，減輕鋼筋混凝土的自重能夠顯著提高荷載的有效性，具有十分重要的價值.應用高強度以及高性能混凝土，能夠在一定程度上減小構件的幾何尺寸，繼而減少結構自重［3-4］.由于傳統(tǒng)的配筋混凝土結構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，經過特制的模具來成型.FRP最開始是應用在航天工業(yè)領域中，在20世紀80年代后FRP應用于土木建筑領域中［5-6］.在土木工程領域中，應用FRP材料也存在變形小、成本高、現(xiàn)場加工不便等問題.隨著FRP生產工藝的逐漸成熟，F(xiàn)RP材料在土木工程領域里有了更為廣泛的應用前景.FRP具有以下5個方面的性能：（1）強度高；（2）自重輕；（3）耐腐蝕；（4）抗疲勞；（5）無磁性等.因此，F(xiàn)RP被廣泛應用于土木工程建筑結構中.

1.2RPC簡介

RPC是在20世紀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用得最為廣泛.從工程應用角度來看，RPC具有以下幾個方面的優(yōu)點：（1）RPC可以有效減輕結構物的自重；（2）RPC可以大幅度提高結構物的耐久性；（3）RPC結構具有超高的耐久性；（4）采用RPC設計構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是一種超高強的負荷材料，通過負荷材料的活性能夠減少微裂縫與孔隙，提高拌合物的密實度.因此，RPC被廣泛應用于土木工程建筑結構中.

將RPC與FRP的優(yōu)異性能進行結合，就能夠形成一種具有優(yōu)良物理力學性能的配筋混凝土結構形式，在土木工程領域尤其是橋梁構造中可以被廣泛應用［7-8］.

2　FRP的研究

土木工程領域針對FRP的相關研究已經取得了較大的成就.FRP作為一種新結構材料在土木工程領域中做出了較大貢獻，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使用.FRP纖維復合材料本身的材質較為高強，F(xiàn)RP材料能夠應用于建造橋梁的主體結構中.簡而言之，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用量最大的2種材料［9-10］.在一般情況下，鋼筋混凝土結構具有以下2個方面的優(yōu)點：（1）造價低廉；（2）承載能力大等，應用于路面結構以及橋梁結構中時，鋼筋的腐蝕性所帶來的后果非常嚴重.相關資料顯示，在1958年，加拿大因為鋼筋腐蝕問題導致橋梁結構失效損失了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筋的基本力學性能

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

FRP在混凝土結構中的主要用途是作為新結構的增強材料，其主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下2個方面：

（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構區(qū)域內能夠替代預應力筋；

（2）FRP材料輕質高強，如CFRP拉索可以有效提高纜索橋梁的跨越能力，繼而設計出更為創(chuàng)造性的橋梁結構；FRP在美國以及日本等建筑橋梁中有應用實例，F(xiàn)RP筋作為預應力筋能夠廣泛應用于橋梁結構中.

在20世紀60年代，人們逐漸意識到鋼筋腐蝕所帶來的危害性，繼而進行深入的研究，尋找到了一種保護鋼筋的方法（即在鋼筋表面電鍍一種保護膜）.鋼筋保護膜降低了抗腐蝕作用，但是鋼筋保護膜方法的主要缺點是：在短時間內失去了作用.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膜的概念，在20世紀60年代后期將環(huán)氧樹脂材料應用于聚合物混凝土中.而環(huán)氧樹脂材料的相關應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混凝土.在20世紀末，我國開始注重纖維復合材料在土木工程領域中的相關應用.我國也相應成立了土木工程的委員會，委員會的成立使得FRP的研究更為專業(yè)，因此在很大程度上推動了FRP在土木工程建筑中的發(fā)展進程.現(xiàn)階段來看，我國對FRP的材料特性結構進行深入研究.FRP筋的特殊屬性為：（1）非磁性；（2）強度高；（3）抗腐蝕等.

3　RPC的研究

在1993年，法國實驗室研制出一種高耐久性以及高抗壓強度的水泥基復合材料.由于提高了組分的反應活性，因此被稱為RPC.在1998年，加拿大實驗室就RPC的基本原理以及基本性能等進行深入研究，相關專家認為RPC作為一種新型的混凝土具有廣泛的應用前景.RPC所具有的低孔隙率功能在力學基礎性能方面高于其他性能的混凝土結構，根據抗壓強度的高低RPC可以被分為以下2個等級：（1）RPC200；（2）RPC800.與同類型的鋼材相比，RPC的

價格較為低廉，因此在市政工程以及輸送管道建設中有著極高的價值.

3.1RPC的材料組成

法國實驗室所研制的RPC材料由以下幾個方面組成：（1）水泥；（2）粒徑＜1mm細砂；（3）石英粉；（4）硅灰；（5）鋼纖維；（6）高效減水劑.在硬化過程中，采取適當的成型工藝能夠獲得RPC.RPC的配置原理：以最大密實度理論為基礎，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，提高顆粒的密實度是設計RPC材料的基礎.

3.2RPC的主要性能

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

3.3RPC研究及應用現(xiàn)狀

RPC材料問世不久，在國內外研究其他材料均遠遠多過于RPC材料，目前對其結構構件方面的工程實踐應用研究很少，國內外發(fā)表的文章也較為有限.目前來看，RPC在工程結構中研究不夠深刻.國外對RPC的配置技術研究趨向于成熟，對RPC的養(yǎng)護條件以及耐久性等進行大量實驗研究.結果表明，RPC具有較高的密實度，在耐久性方面以及抗壓強度方面有很大程度的提高.我國在超高性能混凝土的應用方面起步較晚，但是進步速度非常快.在20世紀50年代之后，我國使用抗壓強度100 MPa的混凝土進行生產，除此之外，武漢理工大學等高校對RPC的原材料進行相關研究，為其在工程建設領域中的應用創(chuàng)造了相應條件.

4　FRP和RPC的應用研究前景

現(xiàn)階段相關研究證明，F(xiàn)RP和RPC都具有廣泛的發(fā)展空間，在土木工程領域中也占據了較為重要的地位.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，要想進一步使得FRP和RPC具有更為廣泛的發(fā)展空間則需要進一步改善其在具體應用中暴露出來的弊端.

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