纖維增強(qiáng)塑料在公路工程中的研究進(jìn)展

劉淑艷，崔洪軍，張朝陽，薛曉，王清洲

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大力推動(dòng)了公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐?；炷?、鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等材料是公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的首選材料，已沿用百年以上，整體使用效果較好。這些材料建造的少數(shù)公路結(jié)構(gòu)物因材料腐蝕、老化以及施工缺陷，在運(yùn)營期產(chǎn)生較多早期損害，并且性能恢復(fù)施工難度大、維護(hù)成本高，嚴(yán)重影響了構(gòu)造物的使用壽命和正常工作[1]。

纖維增強(qiáng)塑料(FRP)作為新興土木工程材料，憑借著輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)材料易產(chǎn)生早期損害的問題，近年來廣泛應(yīng)用于公路工程建設(shè)中，使用效果良好。筆者綜述了FRP的特點(diǎn)以及在公路工程領(lǐng)域中涵洞工程、橋梁工程、錨桿支護(hù)工程、舊橋加固、防撞設(shè)施等方向的應(yīng)用，闡述其未來發(fā)展趨勢，以期推動(dòng)其在公路工程中更好的應(yīng)用。

1 纖維增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)

(1)輕質(zhì)高強(qiáng)。

FRP 材料的相對密度介于1.5～2.0 g／cm3，僅是普通鋼或鑄鐵的1／4～1／5，比輕金屬鋁約小1／3，拉伸強(qiáng)度卻接近甚至超過普通碳素鋼的水平[2–6]，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，這使得FRP 材料在運(yùn)輸和安裝過程中更加輕捷方便，同時(shí)減輕了自重，更加經(jīng)濟(jì)[7]。FRP 材料與其它材料的性能對比如圖1 所示。

圖1 不同類型材料對比

(2)優(yōu)良的耐腐蝕性。

FRP 材料的內(nèi)襯層的樹脂含量達(dá)到了90%以上[8]，樹脂具有較高的穩(wěn)定性，與無機(jī)鹽溶液、表面活性劑以及聚合物溶液不易產(chǎn)生反應(yīng)[9]。此外，還可以根據(jù)FRP 材料不同的工作環(huán)境和需要，在FRP 材料的內(nèi)襯層與外保護(hù)層選擇不同類型的樹脂進(jìn)行加工，從而使FRP 材料防腐蝕的效果達(dá)到最佳[10]。對于酸性環(huán)境條件下，選用雙酚A 樹脂和呋喃樹脂效果最好；而堿性環(huán)境條件下，乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂以及呋喃樹脂表現(xiàn)良好；在溶劑型的使用環(huán)境下，呋喃等類型的樹脂則較為適用；若是酸、鹽以及溶劑等腐蝕環(huán)境并不是特別嚴(yán)重的情況下，選用間苯型不飽和聚酯樹脂會使得FRP材料更具有經(jīng)濟(jì)性[7，11]。

(3)優(yōu)良的耐磨性。

由于FRP 材料制成的管道在固體顆粒物料管道運(yùn)輸工程中的大規(guī)模使用，因此FRP 管道的耐磨性能被越來越重視[12]。大量泥漿砂石的砂漿水密封管道內(nèi)的300 萬次旋轉(zhuǎn)磨損對比試驗(yàn)、25 萬次的負(fù)載循環(huán)磨損試驗(yàn)均證明FRP 管內(nèi)壁具有優(yōu)良的耐磨性能，優(yōu)于球墨鑄鐵–水泥內(nèi)襯管、環(huán)氧樹脂和焦油涂層處理的鋼管內(nèi)壁[13–14]。

(4)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。

FRP 材料由于具有靈活的可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場合和使用環(huán)境對其進(jìn)行形狀、顏色、結(jié)構(gòu)形式、壁厚、部件之間的接頭方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到和滿足不同功能的需要[15]。例如，通過在設(shè)計(jì)的FRP 夾層結(jié)構(gòu)中填加樹脂石英砂或者聚氨酯泡沫等不同填充物，可以此來滿足經(jīng)濟(jì)性和隔熱性能的條件。此外，根據(jù)FRP 材料的特殊結(jié)構(gòu)與受力特性，可以通過改變FRP 材料的纖維鋪設(shè)角度和鋪層方式，從而使得FRP 材料在不同方向具有不同的強(qiáng)度分配。而改變纖維與樹脂的類型或者通過摻入添加劑的手段，使FRP材料達(dá)到了耐腐蝕、阻燃、介電等目的[7，16–18]。

(5)優(yōu)良的水力學(xué)性能。

FRP 管道由于內(nèi)襯層的存在，內(nèi)壁非常光滑，粗糙度和摩阻力遠(yuǎn)低于鋼管、鑄鐵管等金屬管道[4，9，17]，不同管材內(nèi)壁粗糙度列于表1[11]。根據(jù)管道滿流與非滿流兩種不同情況分別采用Hazen-Williams 公式和曼寧公式進(jìn)行水頭損失計(jì)算發(fā)現(xiàn)[18–21]，滿流情況下的FRP 管道水頭損失相較于同管徑、同流量的球墨鑄鐵管降低了約23.3%，非滿流情況下的FRP管道水頭損失相較于同管徑、同流量的球墨鑄鐵管降低了約33.3%～50%[7，11]，證明了FRP 管道相較于同等條件下的金屬管道具有更加優(yōu)秀的輸水能力。

表1 不同管材內(nèi)壁粗糙度 mm

(6)熱導(dǎo)率低、熱應(yīng)力小

同一水平條件下，F(xiàn)RP 材料相較于鋼材在熱性能方面有著非常明顯的優(yōu)勢。FRP 材料與鋼材性能參數(shù)對比見表2[7]。FRP 材料的熱導(dǎo)率為0.27 W／（m· ℃），僅為鋼材的0.4%，二者相差懸殊。極低的熱導(dǎo)率保證了FRP 材料良好的保溫性能，降低了FRP 制品輸送、儲存介質(zhì)時(shí)的熱能損耗。此外，同一內(nèi)外溫差條件下的FRP 材料的線性熱膨脹系數(shù)與鋼材大致相當(dāng)，而FRP 材料的軸向熱應(yīng)變之比明顯大于鋼材，并且FRP 材料的軸向拉伸彈性模量為11.2 GPa 遠(yuǎn)低于鋼材的210 GPa，溫差在FRP 材料上產(chǎn)生的熱應(yīng)力僅為鋼材的9.1%[7，11，16]。因此在管道銜接的實(shí)際工程中，F(xiàn)RP 材料往往不需要膨脹接頭的連接來消除熱應(yīng)力集中的情況，而鋼材由于過大的應(yīng)力集中問題需視情況考慮，這也保證了FRP制品在潮濕、沙漠、海底、冰凍等各種惡劣環(huán)境應(yīng)用條件下仍具有良好的效果。

表2 FRP 材料與鋼材性能參數(shù)對比

(7)優(yōu)良的電絕緣性能。

FRP 材料作為一種新型電絕緣材料具有優(yōu)良可靠的保障。FRP 材料的介電強(qiáng)度為12～16 kV／mm，體積電阻率約為1×1014Ω·cm，表面電阻率約為1×1011Ω，因此FRP材料是一種良好的絕緣材料[6，11]。由于FRP 材料具有良好的絕緣效果，使得FRP 材料在輸電線塔、電磁干涉實(shí)驗(yàn)室、電信線路以及多雷暴天氣地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[2，7，22]。此外，通過研究FRP 材料在輻照作用下的電絕緣性能變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP 材料在輻照作用下的電絕緣性能不降反增，滿足了FRP 材料在高能物理和核物理輻照環(huán)境下仍能保持高電絕緣性能的要求[23]。

(8)防污抗蛀。

FRP 材料的內(nèi)襯層非常光滑，具有優(yōu)良的防污抗蛀性能，可大大節(jié)約維護(hù)成本。FRP 管道粗糙度僅為0.01 mm，Hazen-Williams 系數(shù)可以達(dá)到150，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼管、鑄鐵管等金屬管道，光滑潔凈的內(nèi)壁確保了FRP 材料在海水、污水等環(huán)境下甲殼類、菌類以及一些微生物難以在其內(nèi)壁上粘附存活。而金屬或混凝土管道則因?yàn)閮?nèi)壁粗糙率較高，大量的甲殼、菌類等生物粘附，使得內(nèi)壁粗糙度越來越大，進(jìn)一步減小管徑、增加流水阻力、降低泵送功率等[7，23]。

2 在公路排水中的管涵應(yīng)用研究

公路工程應(yīng)用的纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料管絕大多數(shù)為FRP夾砂管，即在純FRP 管材的纖維纏繞層之間加入樹脂砂層，可大大提高拉伸彈性模量、剛度，改善管材的埋地特性。目前，F(xiàn)RP 夾砂管已成為傳統(tǒng)鋼筋混凝土管、鋼管等剛性管道的良好替代品。

2.1 FRP 管道力學(xué)性能的研究

目前，國內(nèi)外對FRP 夾砂管涵洞力學(xué)性能方面的研究非常豐富，并取得了豐碩的研究成果，為玻璃鋼夾砂管涵的設(shè)計(jì)和參數(shù)取值提供了良好的理論基礎(chǔ)。組分材料性能和纏繞角度等生產(chǎn)參數(shù)是影響管涵結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要因素之一。王清洲等[24]建立FRP 夾砂管數(shù)值計(jì)算模型，分析了管道各項(xiàng)物理參數(shù)的改變對于其性能和環(huán)剛度的影響。陳濤[25]、石華旺等[26]以及高懷君[27]采用MATLAB 和ANSYS 聯(lián)合仿真計(jì)算研究了FRP 夾砂管的管道層數(shù)、纖維體積比、夾砂層厚度、交叉纏繞層體積比以及纏繞角度等參數(shù)對于FRP 夾砂管的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響規(guī)律，在保證FRP 夾砂管安全性能的基礎(chǔ)上使其在經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)等方面均得到了較大提升。王清洲等[28–30]以試驗(yàn)和實(shí)際工程獲取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了可靠的有限元模型，優(yōu)化了多夾砂層FRP 夾砂管的各層厚度，并對FRP 夾砂管的徑厚比提出了合理建議。A.Kavch[31]對復(fù)合材料夾芯管道的環(huán)剛度進(jìn)行了分析，在建模過程中考慮了材料性能非線性的影響，將管道的夾心層厚度、材料參數(shù)、內(nèi)外結(jié)構(gòu)層厚度作為優(yōu)化參數(shù)，通過ANSYS 對管道進(jìn)行建模并分析，獲得了性價(jià)比最高的復(fù)合材料夾芯管結(jié)構(gòu)。R.M.Guedes[32]采用室內(nèi)試驗(yàn)和有二維有限元模擬計(jì)算方法對荷載作用下的FRP 管進(jìn)行受力及變形性能研究，建立了臨界截面的最大撓度和最大應(yīng)變之間的簡單定律，提出有限變形理論的分析方法。這些研究為管材材料優(yōu)選和生產(chǎn)加工工藝參數(shù)確定提供了依據(jù)。

FRP 夾砂管的破壞模式、破壞荷載以及疲勞損傷關(guān)系到管涵服役特性優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)，也是管壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。王清洲[8]、張濟(jì)源等[33]陳兆南[34]針對FRP 夾砂管的壓縮性能、拉伸性能、以及平行板外載性能等一系列力學(xué)性能開展試驗(yàn)，確定了FRP 夾砂管在荷載作用下的破壞荷載和破壞模式。C.Affolter 等[35]則通過對單層夾砂層FRP 夾砂管進(jìn)行室內(nèi)的彎曲性能試驗(yàn)、層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)以及管環(huán)靜載破壞試驗(yàn)，確定了單層夾砂層FRP 夾砂管的基本力學(xué)性能和破壞荷載，探究了服役過程中單層夾砂層FRP 夾砂管的破壞過程和破壞原因。上述研究成果為FRP 夾砂管的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提供了重要依據(jù)。此外，管涵在交通荷載的重復(fù)作用下產(chǎn)生的疲勞問題也是不可忽略的。石華旺等[36]評估了300 萬次、王清洲等[37]評估了250 萬次低幅值的疲勞性能試驗(yàn)后FRP 夾砂管環(huán)的力學(xué)性能，仍然滿足公路工程涵洞的使用標(biāo)準(zhǔn)。S.Ahmet等[38]在交變內(nèi)壓下建立的S–N曲線和A–N 曲線來研究疲勞載荷作用下管涵的疲勞損傷行為。V.A.Passipoularidis 等[39]研究了FRP 材料的剩余強(qiáng)度預(yù)測模型，適用于變幅疲勞載荷或變周期疲勞載荷作用下的管道剩余強(qiáng)度的預(yù)測。這些研究證明了FRP 夾砂管具有良好的抗荷載疲勞特性，非常適合承受交通荷載的反復(fù)作用。

2.2 FRP 管–土作用研究

作為一種新型柔性排水管涵，F(xiàn)RP 夾砂管服役期允許產(chǎn)生3%～5%的變形，管–土相互作用更加復(fù)雜，也是能否具有良好服役性的重要因素。Y.J.Chiou 等[40]，A.S.Sharif等[41]分析彈性軟土中的埋地管道的力學(xué)性能，其中管道參數(shù)、埋設(shè)方式、埋深比、管土之間摩擦等因素是影響埋地管道的受力特性的主要因素。Young-Geun Lee[42]針對給排水管道工程中所應(yīng)用的大口徑FRP 夾砂管，采用工程現(xiàn)場的足尺試驗(yàn)，獲取了埋深16 m FRP 夾砂管387 d的徑向變形數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)所測得的變形數(shù)據(jù)與愛荷華公式和有限差分法預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行比較，預(yù)測了60 年后FRP 夾砂管涵的豎向變形小于其豎向變形極限的5%。柔性管涵的變形大部分來源于施工期和工后沉降階段，填土高度和管周壓實(shí)度是變形產(chǎn)生的主要來源。魏連雨等[43]、陳兆南[44]針對服役過程中的FRP 夾砂管在動(dòng)荷載、靜荷載以及超載等不同荷載條件下的力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，覆土高度的提升可有效降低路面交通荷載對于管涵的影響，并確定了允許重型工程車通過的淺埋高度。相關(guān)研究均證明FRP 夾砂管具有優(yōu)良的埋地特性，可以滿足公路涵洞設(shè)計(jì)要求。

2.3 FRP 管道的多排應(yīng)用研究

雙排以及多排的埋地FRP 夾砂管涵的應(yīng)用是一種新的嘗試，避免了路基高程對于管涵敷設(shè)的限制，并取得了良好的效果。王清洲等[45]針對雙排FRP 夾砂管替代單排FRP夾砂管的斷面流量、力學(xué)性能以及經(jīng)濟(jì)性等多方面的可行性分析表明，雙排FRP 夾砂管的各方面均符合應(yīng)用要求，具備大范圍應(yīng)用的潛力。汪洋[46]和王清洲等[47–49]仿真研究了雙排及多排埋地FRP 夾砂管的力學(xué)性能，結(jié)果表明涵管間距、填土壓實(shí)度以及加載方式對于雙排及多排埋地FRP 夾砂管的受力位置與變形特性均有不同程度的影響。在淺埋條件下，雙排FRP 夾砂管替代單孔大直徑FRP 夾砂管時(shí)應(yīng)采取土工格柵減載、控制雙排管滿足最小間距的工程措施。

3 在橋梁工程中的應(yīng)用研究

FRP 憑借著優(yōu)良的特性在橋梁工程中的應(yīng)用具有廣闊前景，已廣泛應(yīng)用在橋梁建設(shè)、橋梁加固以及橋梁防撞等方面。

3.1 在橋梁建設(shè)工程應(yīng)用中的研究

自1982 年世界上第一座FRP 公路橋在我國北京密云建成后，復(fù)合材料橋梁憑借著施工快、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在世界各國快速發(fā)展[50]。各類FRP 制造的橋梁構(gòu)件層出不窮，并取得了良好的應(yīng)用效果。

復(fù)合材料橋板憑借自身優(yōu)勢解決了傳統(tǒng)橋板腐蝕、混凝土退化等問題，使其在橋梁建設(shè)中大放異彩。第一座FRP夾芯橋面板公路橋于1996 年在美國的堪薩斯州建成。此后各國不斷開發(fā)不同新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料橋面板如圖2 所示[51–56]，其中主要包括：Superdeck 橋面板、Asset 橋面板、ACCS 體系空心板、Duraspan 橋面板、EZ–Span 橋面板以及Strongwell 橋面板。FRP 橋面板的橋梁最早是在德國弗里德伯格公路上建造的，此類新型橋梁具有良好的耐久性并可現(xiàn)場完成快速安裝[57]。鄒芳[58]提出了一種新型格構(gòu)腹板增強(qiáng)輕木夾芯復(fù)合材料橋面板，相較于原橋面板質(zhì)量減少了57%。高媛[59]設(shè)計(jì)了一種適用于懸索橋的FRP 夾芯橋面板，經(jīng)模擬分析表明，其各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足要求。FRP 復(fù)合材料橋梁結(jié)構(gòu)是未來橋梁走向裝配式、輕量化、大跨徑的關(guān)鍵。

圖2 FRP 板體系示意圖

另外，由FRP 制成的拉索亦是復(fù)合材料橋梁建設(shè)中的一大突破，解決了傳統(tǒng)鋼索自重大、強(qiáng)度不足以及易疲勞等問題。1996 年瑞典的溫特圖爾市建造了第一座采用FRP 拉索的懸索橋—Storchen Bridge 橋，之后FPR 拉索懸索橋在丹麥、荷蘭等國也紛紛建成[60]。但由于FRP 材料是典型的各向異性材料，且抗剪強(qiáng)度較低，F(xiàn)RP 拉索的錨固成為難點(diǎn)。汪昕等[61]提出了一種適用于多根、大直徑的FRP 復(fù)合材料拉索整體式變剛度錨固方法，分析了FRP 拉索應(yīng)力集中產(chǎn)生的根本原因，推導(dǎo)出了界面摩擦系數(shù)關(guān)系式和錨固力計(jì)算公式。Wang Xin 等[62]提出了一種FRP 拉索新型錨固方法，結(jié)果表明該方法實(shí)現(xiàn)了錨固區(qū)應(yīng)力較均勻分布并減少了拉索的應(yīng)力集中出現(xiàn)。2017 年國家標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉索》(GB／T 35156—2017)正式頒布，為FRP 拉索在中國工程中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3.2 在橋梁加固工程應(yīng)用中的研究

公路橋梁的早期裂縫、老化、破損以及承載力不足是運(yùn)營期橋梁普遍存在的損害。通常上述損害采用物理粘鋼、套箍和化學(xué)灌漿等加固手段，由于設(shè)備和環(huán)境等因素的限制，使得加固效果參差不齊。而施工便捷、輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)塑料加固橋梁備受青睞。它主要包括外貼纖維增強(qiáng)塑料加固法、表面附近錨固法(即NSM 法)以及內(nèi)部FRP 加筋法。外貼FRP 加固法作為橋梁加固方法中應(yīng)用最廣的一種方法，是首先將樹脂基底均勻涂抹在處理過的混凝土表面，隨后將尺寸合適的FRP 按照要求層數(shù)逐層貼到規(guī)定位置。NSM 法是將橋梁需加固區(qū)域進(jìn)行矩形槽開挖，利用樹脂把FRP 筋錨固在相鄰構(gòu)件上。內(nèi)部FRP 加筋法則是利用FRP 筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋與混凝土形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

針對FRP 加固的力學(xué)性能，諸多學(xué)者開展了較為深入的研究，推動(dòng)了FRP 加固技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。吳茂勝[63]結(jié)合工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP 可有效提升橋梁極限承載力和破壞荷載。段敬民等[64]與曾憲桃等[65]通過對粘貼FRP 板的混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，粘貼FRP 板對于混凝土的開裂彎矩、極限承載力以及剛度均有提升，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到了FRP 板和組合構(gòu)件的計(jì)算表達(dá)式。李亞[66]和李文龍[67]采用試驗(yàn)和有限元計(jì)算方法進(jìn)行了FRP 混合箍筋混凝土梁的抗剪性能研究，分析了配箍率、剪跨比等因素的影響，并推導(dǎo)出極限受剪承載力計(jì)算公式，推動(dòng)了FRP筋在加固工程中的應(yīng)用。H.Eliya 等[68]采用拉拔試驗(yàn)評估FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)性能發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP 筋與混凝土之間通過化學(xué)粘附、機(jī)械互鎖以及摩擦實(shí)現(xiàn)力的傳遞，F(xiàn)RP 筋的尺寸與生產(chǎn)變異性是影響粘結(jié)性能的主要因素。由于我國在FRP 加固橋梁技術(shù)應(yīng)用與加固規(guī)程等方面起步較晚，相較于日本和和歐美等國仍有一定差距，加固橋梁的長期性能等方面需進(jìn)一步探索。

3.3 在橋梁防撞工程應(yīng)用中的研究

航道上航行船舶與橋梁碰撞事故日益頻繁，船橋碰撞事故的發(fā)生常帶來巨大的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失以及環(huán)境污染。設(shè)置安全可靠的橋梁防護(hù)措施，對于降低橋梁撞擊災(zāi)害具有重要意義。傳統(tǒng)的人工島、群樁以及鋼箱等手段均有一定局限性，而FRP 因其自身輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)強(qiáng)等特點(diǎn)，在橋梁防護(hù)工程中受到了極大重視。南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)工程復(fù)合材料研究中心首次提出了大型橋梁復(fù)合材料防撞系統(tǒng)的概念，并率先開展關(guān)于橋梁復(fù)合材料防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造與創(chuàng)新研究[50]。成功研制的自浮式和固定式等復(fù)合材料防撞系統(tǒng)，在烏龍江大橋、潤揚(yáng)長江公路大橋、張家港巫山大橋等30 多項(xiàng)橋梁防撞系統(tǒng)中取得了良好的應(yīng)用效果，如圖3 所示。王飛等[69]研發(fā)了一種新型柔性復(fù)合材料防撞裝置，研究結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)剛性防撞裝置，復(fù)合材料防撞裝置防撞效率更具優(yōu)勢。方海等[70]以武漢鸚鵡洲長江大橋?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)分析了纖維增強(qiáng)塑料防撞裝置的破壞模式，證明了纖維增強(qiáng)塑料防撞裝置可有效降低船橋碰撞過程中二者的損傷。李嵩林等[71]研發(fā)了環(huán)保型浮式柔性防撞裝置，Hua Jiang 等[72]提出了手糊工藝制造的FRP 管復(fù)合材料防撞裝置，均具有良好的緩沖消能效果。因此，F(xiàn)RP 防撞設(shè)施作為橋墩防撞裝置具有較好的應(yīng)用前景。

圖3 不同F(xiàn)RP 防撞裝置

4 在公路工程其它方面中的應(yīng)用研究

FRP 除了廣泛應(yīng)用于公路工程中的涵洞和橋梁方面之外，在邊坡錨桿支護(hù)、路面面板、水泥混凝土路面材料等其它諸多工程中也有著良好的應(yīng)用效果。錨桿支護(hù)技術(shù)在邊坡防護(hù)和支擋工程中有著廣泛的應(yīng)用。常規(guī)的鋼質(zhì)錨桿在侵蝕、潮濕以及冰凍等惡劣復(fù)雜的服役環(huán)境下非常容易發(fā)生銹蝕，其安全性和耐久性受到了極大挑戰(zhàn)，解決錨桿銹蝕在工程建設(shè)中已經(jīng)迫在眉睫。FRP 錨桿出色的耐腐蝕性成為代替鋼材錨桿的首選。匡亞川等[73]借助有限元軟件和現(xiàn)場試驗(yàn)的方式研究了FRP 錨桿的粘結(jié)性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的FRP錨桿粘結(jié)性能優(yōu)異。徐曉蓮等[74]、劉通昌[75]利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對FRP 錨桿進(jìn)行研究，并在邊坡支護(hù)的實(shí)際工程中確定了FRP 錨桿應(yīng)用的穩(wěn)定性和可行性。

FRP 制成的復(fù)合材料路面板具有輕質(zhì)高強(qiáng)、剛度大、車輛通過性好以及節(jié)點(diǎn)傳力可靠等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)急搶修路面建設(shè)中備受青睞。尤其是FRP 路面板在淤泥、沼澤以及沙灘等惡劣場地中具有快速拼接使用的優(yōu)勢。方海[76]成功利用真空導(dǎo)入成型技術(shù)設(shè)計(jì)并制備了輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)塑料墊板，在軍隊(duì)、石油以及應(yīng)急搶險(xiǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。陳洲等[77]、徐靖等[78]開展了FRP 路面板的拉伸性能、層間剪切性能、沖擊性能以及動(dòng)態(tài)熱力學(xué)等性能試驗(yàn)，結(jié)果表明FRP 路面板可滿足交通車輛通行的要求。華正良[79]提出采用FRP筋代替鋼筋修筑連續(xù)配筋水泥混凝土路面，試驗(yàn)證明該FRP筋水泥混凝土配筋路面具有廣闊的應(yīng)用前景。將廢舊FRP磨細(xì)后作為水泥混凝土填料是一種較常見廢舊FRP 材料回收的做法。多數(shù)研究表明將增強(qiáng)纖維用于混凝土可以提高其力學(xué)性能[80–82]，能夠有效提高混凝土的可加工性以及獲得更低的孔隙率，且可制約微裂縫形成大裂縫[83–84]。目前，我國FRP 在路面中應(yīng)用的較少，該領(lǐng)域也是未來研究的重點(diǎn)。

5 纖維增強(qiáng)塑料材料的未來挑戰(zhàn)

工程材料的回收將有助于工業(yè)流程的可持續(xù)性和可持續(xù)發(fā)展，但是FRP的廢物回收遇到了巨大挑戰(zhàn)和困難。首先，復(fù)合材料產(chǎn)品中固有的基質(zhì)材料、增強(qiáng)材料和填充材料的異質(zhì)性，導(dǎo)致材料可回收性差，材料的分類困難，這增加了回收的阻力。其次，用量占較大比例的熱固性FRP，熱固反應(yīng)后無法再次重塑。因?yàn)闊峁绦詮?fù)合材料的樹脂固化前是線型或帶支鏈的，固化后分子鏈之間形成化學(xué)鍵，成為三度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅不能再熔觸，在溶劑中也不能溶解[85]，使其在自然環(huán)境中降解的周期甚至可長達(dá)數(shù)十年，這給回收工作帶來了很大的困難。另外，廢物對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響是世界范圍內(nèi)的一個(gè)主要問題，需要強(qiáng)調(diào)回收過程和再利用方式的合理性。掩埋和焚燒是目前最常見且廉價(jià)的處理方式，人類不得不將大量的FRP 采用這兩種低端的再利用方式處理，對環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生不利影響，因?yàn)檠诼駮加么罅客恋睾臀廴镜叵滤?，焚燒則可能會產(chǎn)生有害氣體污染空氣。因此，這兩種方法從長期來看都無法持續(xù)，并且已經(jīng)受到相關(guān)部門的嚴(yán)格監(jiān)管。最后，還有一系列的再利用難題阻礙了復(fù)合材料廢棄物的再利用，諸如高回收成本，回收后材料可能再利用的產(chǎn)品市場缺乏，以及與原始材料相比回收物力學(xué)性能的降低等。未來，F(xiàn)RP 復(fù)合材料的回收再利用將是該領(lǐng)域發(fā)展的研究熱點(diǎn)問題。

6 結(jié)論

近年來，F(xiàn)RP 作為一種新型復(fù)合材料為公路工程結(jié)構(gòu)帶來了全面革新，通過在涵洞與橋梁建造和維護(hù)過程中替換傳統(tǒng)的混凝土、鋼筋等材料，以此來提升涵洞和橋梁的力學(xué)性能和耐久性能，取得了較為良好的效果。未來，F(xiàn)RP 夾砂管涵的長期性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝配式橋梁、廢舊FRP 材料的回收再利用等方面將是研究的熱點(diǎn)問題。