新型FRP筋在混凝土结构中的应用及研究

王 伟

(1.中国建筑科学研究院上海分院，上海200023;2.上海建科结构新技术工程有限公司，上海200023)

随着混凝土结构在土木工程中的应用，人们逐步发现影响混凝土结构耐久性最主要因素是钢筋的锈蚀［1]。自上世纪60年代起，国内外学者就开始研究防止钢筋锈蚀的措施，经过近五十年的研究分析［2]，研究者普遍认为采用新型的聚合物材料FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋替代钢筋是较为可行的方法。新型FRP筋［3]是由多股连续纤维采用基底材料胶合后，经过挤压、拉拔等工艺制成。相对而言，所谓的传统FRP筋，主要是指我国在20世纪五、六十年代采用手糊工艺生产的FRP筋，具有较低的抗拉强度和弹性模量，文中以下FRP筋均是指新型FRP筋。

1 FRP筋的生产工艺和分类

FRP筋生产工艺类型主要包括编织型、绳索型、拉挤型等。一般认为，FRP筋强度与纤维含量成正比，但当纤维含量较高时，采用挤压成型工艺生产起来也越困难。纤维种类、基体材料类型、纤维方向及其与基体间的界面构造决定了FRP筋的力学性能。为改善FRP筋的力学性能，克服没有屈服点呈脆性破坏的缺点，常常采用混杂配筋以同时达到增强和增韧的目的［4]。

FRP筋一般按照纤维种类进行分类［5]，常见的有GFRP筋、CFRP筋和AFRP筋等三种，目前，GFRP筋在土木工程中的应用最为广泛。按照配筋形式的不同，FRP筋可分为光圆筋、螺纹筋、矩形截面筋以及工字型截面筋等四种，这也是国内外常用的FRP筋的形状。此外，也可直接将FRP筋制作成网板用于板的配筋。各种形式的FRP筋如图1所示。

2 FRP筋的力学特性

不同的连续纤维化学成分不同，其力学性能差别很大，相应的FRP筋也表现出了差别很大的物理力学性质。常见的FRP筋的力学性能见表 1［5]。

表1 FRP筋的力学性能Tab.1 Mechanical properties of the FRP bars

FRP筋具有许多与传统结构材料所不同的特点［6]，FRP 筋的基本性能有:

1)基本物理特性:FRP筋质量较轻，这使得FRP筋混凝土结构自重减轻，也使得桥梁极限跨度有所提高;此外，FRP筋的弹性模量低于钢筋的弹性模量，一般不超过钢材的75%。

2)基本力学特性:FRP筋的抗拉强度较高，但FRP筋在受拉破坏前仍然呈现线性特征，也即FRP筋为一线弹性材料，并不具有延性，在用于抗震设计时需注意;FRP筋抗压强度较低，约为抗拉强度的1/3～1/2，这主要是因为FRP筋抗压强度主要取决于基体材料的抗压强度，而基体材料的强度较低;剪切强度较低是FRP筋的又一特点，FRP筋抗剪强度通常不足其抗拉强度的5%～20%;FRP筋都具有良好的疲劳性能。纤维的种类、表面形状、环境条件和加载频率等是影响FRP筋的疲劳强度的主要因素。

3 在混凝土结构中的应用

3.1 国外研究和应用进展［6]

1941，美国人Jackson首次将GFRP筋运用到混凝土结构中，并申请了专利。20世纪60年代，为解决恶劣气候下的钢筋混凝土结构耐久性问题，CFRP筋首次被美国Marshall.Vega公司作为增强筋用于混凝土结构中，这是对CFRP研究和应用的开始。FRP加强筋自20世纪80年代初起逐渐应用在有特殊性能要求的结构物中，尤其是受有严重化学侵蚀的结构物。美国ACI440委员会于2001年提出了FRP筋混凝土结构的设计和施工准则(ACI 440.R－01)。随后，ACI440委员会根据各国学者的最新研究成果，不断对ACI 440.R准则进行修正，日前 ACI 440.R－07已投入使用。

20世纪70年代，日本开始FRP筋增强混凝土的研究，生产工艺采用试配法。1988年，日本首次将CFRP筋应用在一座7 m宽5.76 m跨的公路桥梁中应用了CFRP预应力筋。1990年又应用AFRP筋修建了一座长54.5 m，宽2.1 m的茨城悬带桥。

1951年.欧洲学者 Rubinsky.I.A.和 Rubinsky.A.首次研究了将GFRP筋作为预应力筋应用到混凝土结构中的受力性能。20世纪70年代，德国stuttgart大学的Rehm教授的研究成果表明，GFRP筋可以作为预应力筋用于混凝土结构中。1980年，德国的Muster用GFRP筋修建了一座人行桥，并于1986年修建了世界上第一座两跨GFRP预应力混凝土公路桥。

3.2 国内研究进展［7]

国内对FRP筋以及FRP筋混凝土结构的研究虽然起步较晚，但是最近国内关于FRP筋的研究越来越广泛，并得到一些具有远见卓识的企业家的关注和大力支持，使得我国在该领域的基础研究从开始就沿着“高起点发展，高水平推进，高效益应用”的方针迅速发展。1995年由水利部专门立项，同济大学薛伟辰教授在国内首次开展了FRP筋的研究与应用。1997年，薛伟辰教授在河海大学完成国内首例混凝土结构中配置新型配筋FRP筋的试验研究。郑州大学高丹盈教授等根据拉拔试验和梁式试验结果推导出FRP筋锚固长度的计算模型，该模型提出了影响FRP筋与混凝土粘结性能的影响参数，其中包括混凝土强度、锚固长度、FRP筋直径、混凝土浇筑深度等。

在上述研究的基础上，国家和专业部门已颁布多部相关规程，主要包括《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146:2003)、《纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程》(DG/TJ08－012－2002 J10158－20)、《结构加固修复用碳纤维片材》(JG/T167－2004)和国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB50608－2010)。

4 FRP筋耐久性研究进展

研究者对FRP筋在土木工程中的应用开展了一系列研究，而对FRP筋耐久性的研究较少。国外学者在上个世纪90年代中期以后，才开始进行FRP筋在不利环境下的力学性能退化规律的研究，并取得相应的进展;国内研究者对FRP筋的耐久性才刚刚开始起步。

4.1 酸碱盐环境下

张新越，欧进萍［3]等对自制的FRP筋产品进行酸碱盐介质腐蚀试验，结果表明，玻璃纤维筋(GFRP筋)具有很好的耐酸、盐性能，但耐碱性相对较差。碳纤维筋(CFRP筋)具有很好的耐酸、耐碱、耐盐溶液腐蚀的性能，可以很好的满足混凝土结构耐久性的要求，但碳纤维和环氧树脂的界面比较薄弱，没有玻璃纤维和环氧树脂的界面密实和坚固。Taketo Uomoto［8]等对酸性环境下FRP筋的耐久性进行研究，结果表明，当温度达到80℃时，才能观察到酸性环境下FRP筋性能退化，而在40℃以下，FRP筋一般不会发生退化现象。可见，FRP筋的抗酸性很强。

4.2 冻融循环试验

Renée Cusson 和 Yunping Xi［9] 开展了冻融环境下FRP筋耐久性试验，试件数量为105根，冻融循环时间为750h，温度在－29℃ ～20℃之间，经历250次冻融循环后，结果表明，FRP筋的抗拉强度、弹性模量、极限应变及水平剪切强度等均有不同程度变化，影响程度取决于冻融循环的次数及温度的变化幅度。

欧进萍、张新越等对GFRP筋和CFRP筋进行了冻融试验［3]，冻融循环温度控制在 －17.8℃ －7℃之间，试验结果表明:在经历300次冻融循环后，GFRP筋抗拉强度下降9.4%，弹性模量上升5.79%，CFRP筋的抗拉强度上升2.16%，弹性模量上升5.38%。

4.3 紫外线辐射环境下

Kato［10]等人对紫外线辐射环境下 FRP筋耐久性进行了加速试验。试验温度为26℃，紫外线照射强度0.2MJ/m2/h。试验结果表明，除CFRP筋性能基本没有发生变化外，GFRP筋和AFRP筋的抗拉强度均有不同程度的下降。Tomosawa和Nakatsuji［11]对浸泡在海水环境中的13种不同类型的FRP筋进行耐久性试验，结果发现，暴露在热带地区的阳光下2年后FRP筋各项性能并没有发生退化现象。

4.4 高温和火灾情况下

同济大学的周长东等［12]重点对火灾高温下的GFRP筋的力学性能进行了研究，研究结果表明，当环境温度高于270℃时，GFRP筋的抗拉强度会急剧下降;在温度低于190℃时，GFRP筋的抗拉强度可以恢复到室温时的强度，在温度高于190℃时，GFRP筋的抗拉强度则不能恢复到室温时的强度，这主要是与GFRP筋的基体材料性能有关。

5 结束语

FRP筋具有轻质、高强，耐腐蚀性好的特点，符合土木工程用高性能材料的发展趋势。为了FRP筋能够更好地应用工程实际，仍需要对以下几点问题做进一步的研究:(1)为使FRP筋能够更好地应用于工程实际，应对其作为预应力筋时锚固体系做进一步研究。(2)应对FRP筋耐久性能做进一步的研究，尤其是研究预测FRP筋耐久年限的理论模型。(3)重视FRP筋生产工艺研究，使其产品价格适用于工程结构，并加快改性树脂和改性纤维的研究。

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