混凝土结构用FRP筋的耐久性研究进展

赵琼娟 陈淅歌

摘要：钢筋锈蚀一直是影响混凝土结构耐久性的一大不利因素，由于FRP本身优良的耐腐蚀性能以及其它特性，使得它成为混凝土结构中的新型材料。本文介绍了FRP筋的特性以及在耐久性方面的研究进展，提出了FRP筋在应用中存在的问题。

关键词：FRP筋 混凝土结构 耐久性

中图分类号：TV331文献标识码： A

钢筋混凝土结构是目前在土木工程中应用最广的结构类型。其结构有自身的优点，然而随着应用的不断深入，这种结构类型显示出了其致命的弱点：钢筋锈蚀。钢筋锈蚀引起的钢筋混凝土结构的破坏是目前土木工程中普遍存在的最主要问题之一。这就要求应尽快发展经济有效的结构增强方法和新型的高性能结构材料，以延长结构使用寿命，提高结构性能。

FRP筋是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料，以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木工程结构中得到应用，并受到广泛的关注。

1.FRP筋的基本特性

1.1 FRP筋的基本力学性能

FRP筋由高性能纤维和基体材料组成，纤维为增强材料，起加劲作用，基材起粘结、传递剪力的作用。纤维的种类主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和混杂纤维，基材主要有聚酯、环氧树脂、乙烯基酯、聚酯树脂等。根据连续纤维种类的不同，现在常用的FRP筋主要有玻璃纤维增强筋（GFRP筋）、碳纤维增强筋（CFRP筋）、芳纶纤维增强筋（AFRP筋）和混杂纤维增强筋（HFRP筋）。不同类型的FRP筋性能有所不同，但是作为新型复合材料用于土木工程中，它们之间存在较多的共性。

其优点主要有：

（1)密度小，质量轻。FRP筋的密度一般仅为钢筋的1/6～1/4，有利于减轻结构自重，方便施工。

（2)顺纤维方向抗拉强度高。

（3)耐锈蚀。

（4)电磁绝缘性好。

（5)减振性能好。

（6)AFRP筋和GFRP筋具有低传热性和低导电性，可用于对传热和导电有特殊要求的场所。

（7)作为一种复合材料，FRP筋具有可设计性，可以根据不同的需求加工成性能差异很大的产品。

FRP筋也存在一些不足之处，主要有：

（1)无塑性。

（2)FRP筋的弹性模量比钢筋低。常用的CFRP筋、AFRP筋和GFRP筋的弹性模量大致分别为钢筋弹性模量的75％、35％和20％。

（3)抗剪和抗压强度较低。FRP筋是各向异性材料，轴向抗压、横向抗压和抗剪性能较差，横向抗剪强度仅为纵向抗拉强度的1/10左右。

（4)热稳定性较差。

（5)成本较高。

1.2 FRP筋与钢筋耐腐蚀性能对比

钢筋锈蚀主要是由于酸性、盐溶液（特别是氯离子）渗入结构物，破坏了钢筋表层的钝化膜使钢筋不断地进行电解反应被氧化而造成的。纤维是FRP筋中的主要受力材料，碳纤维和玻璃纤维的耐腐蚀性能、比强度（拉伸强度/密度）和比模量均优于钢、铝等传统材料，轻质高强的性能十分突出。从基材性能上看，常用FRP筋基材均具有优良的耐腐蚀性，且黏聚力好、抗徐变性能力强，稳定性和适应性良好。因此，与钢筋相比，FRP筋是良好的耐腐材料，它对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力，完全适用于实际工程尤其是沿海工程中。

2.FRP筋耐久性研究现状

国内外研究者针对环境对纤维筋耐久性能影响的研究，提出了纤维筋材料性能、纤维筋与混凝土之间粘结性能的退化规律。研究主要考虑的环境因素有温度、湿度变化、化学物质的侵蚀、紫外线照射以及冻融循环等。

2.1 水和潮湿环境

研究发现GFRP筋浸泡在室温下的水和潮湿混凝土中试件强度没有发生明显的变化。在40℃和80℃环境下，试件的抗折强度则分别降低了14%和45%。说明FRP筋在水和潮湿环境下的耐久性受温度影响很大。另一方面，当树脂基体所吸收的水分达到其饱和状态后，GFRP筋的力学性能将不会再下降。

2.2 酸、碱、盐侵蚀环境

国内外学者对酸、碱、盐侵蚀环境下FRP筋耐久性能进行了大量研究，结果表明，在强酸环境中，40℃以下，FRP筋没有发生退化现象，说明了GFRP筋和CFRP筋抗酸性很强。在碱溶液环境作用下，采用模拟加速试验对GFRP筋和CFRP筋观测其劣化程度，碱溶液pH =12.6～13，试验温度为60℃，试验12个月，试验发现碱性环境下AR-GFRP筋的力学性能变化不大，而CFRP筋基本不受影响，说明了FRP筋在碱环境下具有相当好的耐久性。试验表明，在盐溶液环境中经历一年后，发现GFRP筋拉伸强度基本上没有发生变化，而CFRP筋的拉伸强度分别降低了5%和7%。

2.3 冻融循环环境

研究人员将FRP筋试件在750h内经历250次冻融循环，温度涨落-29～20℃，结果发现冻融循环对FRP筋，尤其是GFRP筋有着明显的不利影响，影响程度取决于冻融循环的次数及温度的变化幅度。欧进萍教授的冻融试验中，在经历50～300次冻融循环-17.8～7℃后，GFRP筋拉伸强度有不同程度的下降，而弹性模量随冻融循环次数呈上升趋势；CFRP筋的拉伸强度和弹性模量均有不同程度的提高，且弹性模量随冻融循环次数的增加而提高。

2.4 紫外线辐射环境

一项研究对CFRP筋、AFRP筋和GFRP筋进行了3年的阳光暴露试验，结果发现CFRP筋的拉伸强度降低了23%，AFRP筋降低了31%，GFRP筋降低了10%。通过上述试验可以发现芳纶纤维对紫外线比较敏感，而玻璃纤维和碳纤维的免疫能力比较好。作为FRP筋的重要组分，树脂基材受紫外线照射吸收能量后会加速氧化反应，从而导致树脂提前老化，丧失黏结能力。

3.存在的问题

（1）FRP材料本身也具有一定的缺陷，尽管抗拉强度高，通常可达3000MPa左右，但其弹性模量与强度的比值较低，因而纤维必须在相当大的变形下才能充分发挥其高强特性。大量试验结果表明，FRP仅在构件受拉钢筋屈服后才发挥出较大的作用，纤维的实际强度利用率很低。因此预应力FRP筋也逐渐得到广泛的应用。但是相应的锚具、施工方法等还尚未成熟，有待于进一步研究。

（2）FRP筋压缩强度与其拉伸强度相比而言较低。

（3）耐火性不如钢材，在设计某些类型的建筑物时需要考虑。

（4）FRP筋与混凝土的粘结锚固性能。表面光滑的FRP筋与混凝土之间的粘结强度仅是钢筋与混凝土粘结强度的10%～20%，并不适合作为结构构件的受力筋。由于FRP筋与混凝土界面处的内部滑移难以测定，目前多利用平均粘结应力与试件加载端或自由端的滑移绘制的关系曲线，并得到FRP筋与混凝土的粘结本构关系。显然，这个关系并不能反映粘结滑移沿FRP筋锚固长度变化的规律，也不能描述粘结滑移刚度退化的现象。因此，应研究随不同位置变化的FRP筋与混凝土的粘结滑移性能和规律。

FRP筋具有的高强、轻质、耐腐蚀、密度小、低弹性模量等特征，能够满足人类对土木工程越来越高的性能要求。但应注意FRP筋与普通钢筋的差异，在使用时应采取必要措施保证结构的安全性能和使用功能。随着FRP筋研究和应用越来越广，使得以往土木工程中难以解决的一些问题迎刃而解，给土木工程带来新的发展机遇。

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