FRP混凝土柱力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

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，由芬芳聚酰化合物進(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，容易開裂。由于上述弊端和不足，學(xué)者們設(shè)想出一種解決方案，通過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）對增強(qiáng)混凝土柱的延性具有更好的效果，而碳纖維（CFRP）布對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，稱為石墨纖維,而當(dāng)纖維含碳量在80%~95%時，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）的造價十分低廉，僅僅是碳纖維價格的1/8~1/5左右，甚至與玻璃纖維的造價相當(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)域也具有一定的價值;此外，玄武巖纖維還有一些其他優(yōu)勢，如溫度范圍廣、絕熱隔音、易與樹脂結(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。通過運(yùn)用FRP對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，以及如何計算承載力的方法也不盡相同。國內(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、承受荷載計算、以及FRP加固后混凝土梁的截面變形程度、裂縫開裂情況等方面。此外，一些學(xué)者對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比分析

這兩種混凝土柱的對比分析可以得到以下兩點(diǎn)：其一是鋼管不僅可以對環(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原點(diǎn)的斜直線，其對混凝土的約束為被動約束[3]。從20世紀(jì)末開始，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

未來研究方向有以下五點(diǎn)：①對于FRP約束混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究。②對天然纖維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比研究。③對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的混合使用將會成為未來一個新的研究方向。⑤對于各類新型FRP混凝土組合結(jié)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)語

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。