纤维增强塑料筋的性能及应用前景

范瑞雯（河南强昌建筑工程有限公司 河南新乡 453003）

纤维增强塑料筋的性能及应用前景

范瑞雯
（河南强昌建筑工程有限公司 河南新乡 453003）

本文介绍了纤维增强塑料筋纤维增强塑料筋的物理力学性能以及在国内外的发展和应用概况。阐述了研究纤维增强塑料筋增强混凝土的目的和意义，提出了纤维增强塑料筋在混凝土构件中的应用前景。

纤维增强塑料筋；物理力学性能；混凝土

1、纤维增强塑料筋材料简介

钢筋混凝土结构是以钢筋为增强材料，钢筋由碱性混凝土保护，使钢筋混凝土结构具有一定的适用性和耐久性。但是暴露在侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构，在湿度、温度、二氧化碳气体、氯离子的作用下，混凝土的逐渐中性化使钢筋腐蚀，最终导致混凝土结构破坏。

由于钢筋腐蚀造成危害的严重性，人们对钢筋腐蚀现象的认识以及为此进行的科学研究、技术开发正在逐步深入。例如，在钢筋表面电镀保护膜、静电喷射熔粘保护膜、环氧树脂保护膜等。但钢筋与聚合物混凝土由于不同的热性能影响了钢筋聚合物混凝土的研究和应用。经过反复实验，提出以玻璃纤维增强塑料筋这种合成的复合筋用来增强聚合物混凝土。

纤维增强塑料筋应用于支撑和围绕磁共振成像医疗设备的混凝土中，对于结构不能使用传统钢筋的，可以选择玻璃纤维增强塑料筋替代。

2、纤维增强塑料筋混凝土的研究现状

欧洲于1996年成立了研究纤维塑料增强混凝土结构的联合攻关组织，同时设立了研究该材料及其混凝土结构性能的重大欧共体合作研究项目，并投入了雄厚的人力、物力。该项目的目的是研制适宜的纤维塑料产品以及制定相应的纤维塑料增强、加固混凝土结构的试验方法标准和设计施工规程。加拿大在1995年成立了专门研究纤维塑料增强、加固混凝土结构的专家委员会。美国也成立了相应的专业委员会，编制了纤维增强塑料及其混凝土结构的试验方法标准及设计施工规程。日本的土木工程学会等多家机构从事纤维增强塑料及其应用于土木工程的研究，主要进行纤维增强塑料产品的研制、纤维增强塑料试验方法及其混凝土构件设计方法等的研究，提出了连续纤维材料增强混凝土结构的设计与施工建议。

我国纤维增强塑料在土木工程中应用的基础研究得到了国家自然科学基金委员会以及主管部门高度重视，同时得到相关企业的关注、资助和支持，使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。

3、纤维增强塑料筋的构成

纤维增强塑料筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料，具有比强度高、耐腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独特优点。纤维有有机纤维和无机纤维两种，它们的抗拉强度和弹性模量都较高，是纤维增强塑料筋中的承载成份。

4、纤维增强塑料筋的基本物理力学性能

纤维增强塑料筋与钢筋不同，是各向异性材料。不同成分纤维增强塑料筋之间的物理性能可能差别很大，一些因素例如纤维与树脂的类型和含量、纤维的方向、尺寸效应、生产过程中的质量控制及生产方法都对产品的性能起着重要的作用。此外，与其它应用于结构的材料一样，纤维增强塑料筋的力学性能受加载历史、持续时间、温度和湿度等因素的影响。

4.1 比重

纤维增强塑料筋的比重一般在1.25～2.1之间，因此它比钢筋轻4～5倍，使得其运输成本降低，在工作现场的加工安装时间减少，施工便利，这些都应该包括在选择产品时的成本分析中。

4.2 热胀系数

为了使混凝土和增强筋的变形差最小，这两种材料在热应力下的性能必须接近。混凝土的热胀系数通常看作是各向同性的。纤维增强塑料筋的纵向和横向系数不同，与纤维、树脂的类型、纤维的体积率有关。

4.3 抗拉强度和抗拉弹性模量

与钢筋不同的是，纤维增强塑料筋在达到其极限抗拉强度时无任何实质性的屈服变形，其应力应变关系可用一条直到最大应力点的直线表示。同时，纤维增强塑料筋具有尺寸效应，即由于剪切滞后的原因，接近纤维增强塑料筋横断面中心的纤维受到的应力没有纤维增强塑料筋外表面的纤维受到的应力大。这种现象导致大直径纤维增强塑料筋的强度和效率的降低。另外，由于纤维增强塑料筋沿横截面方向的脆性，确定纤维增强塑料筋的强度很困难，因为测试时锚固系统的应力集中可能导致纤维增强塑料筋过早地破坏，必须使用满足测试纤维增强塑料筋强度要求的特殊的锚固装置，使得纤维增强塑料筋试件的破坏发生在其测区以内。

4.4 纤维增强塑料筋的弯曲强度

纤维增强塑料筋可以用热固性树脂或热塑性树脂制成。热固性树脂由于它们的分子结构在受热时会分解，因此这种树脂制成的纤维增强塑料筋不能弯曲。用热塑性树脂制成的纤维增强塑料筋可以通过加热、加压来弯曲。

4.5 抗压强度和抗压弹性模量

纤维增强塑料筋试验显示其抗压强度低于抗拉强度。与抗拉弹性模量不同的是，纤维增强塑料筋的抗压弹性模量随着纤维增强塑料筋的尺寸、类型、生产质量控制、试件的长径比而变化。

4.6 剪切强度

纤维增强塑料筋的剪切强度往往很低，因为剪切强度主要取决于树脂性能。可以通过调整纤维增强塑料筋的方向使其利用轴向拉力来抵抗剪切荷载。

4.7 徐变和徐变破坏

纤维在复合材料中的方向和体积率对纤维增强塑料筋的徐变特性影响很大。在不利的环境条件下，受恒载作用的纤维增强塑料筋可能在一段时间后突然破坏，这段时间叫持续时间，这一现象叫徐变破坏，存在于几乎所有的结构材料中。随着持续拉应力与纤维增强塑料筋短期强度比值的提高，持续时间会降低。

对大多数纤维增强塑料筋混凝土结构，因为纤维增强塑料筋中的持续应力低，基于考虑徐变破坏的应力限制并不重要。应当注意，环境因素会影响徐变性能，可能使持续时间变短。

4.8 疲劳

纤维增强塑料筋有很好的抗疲劳性。在荷载重复作用下的测试结果表明，在低应力比下，石墨纤维-环氧树脂筋的疲劳强度比钢筋高，而玻璃纤维增强塑料筋的疲劳强度比钢筋低。

5、纤维增强塑料筋存在的问题和发展前景

影响纤维增强塑料筋力学特性的因素很多，例如温度、湿度、荷载作用时间、紫外线作用和腐蚀等。如在潮湿的环境中，纤维增强塑料筋吸收过量的水分后强度和刚度会大大降低，树脂的特性发生改变，纤维增强塑料筋膨胀和翘曲，因此最好选用具有抗潮湿性的树脂。在寒冷地区还要考虑冻融循环作用的影响。纤维增强塑料筋尽管有很好的抗腐蚀性，但在特定的环境中也会破坏，必须根据具体情况选取适宜的材料。例如，混凝土在刚浇注时就是碱性的，这时可利用耐碱玻璃纤维。

目前国内外对纤维增强塑料筋混凝土结构的研究存在着以下不足：纤维增强塑料筋的预应力锚固体系问题；没有引入与现代结构工程基本理论与设计方法相衔接的延性设计思想，对脆性破坏的纤维增强塑料筋增强混凝土结构没有给出明确的、控制结构设计的延性指标；试验工况多为单调荷载，疲劳荷载、长期荷载、地震荷载等工况的研究很少；对纤维增强塑料筋增强混凝土结构的受力机理和理论建模方面的研究有待进一步深入。对纤维增强塑料筋及其混凝土构件进行深入研究，结合现代钢筋混凝土结构设计理论，制定出适合我国国情的纤维增强塑料筋混凝土结构设计规范。

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1007-6344（2016）06-0330-01

范瑞雯（1974.4），女，河南新乡人，本科，工程师，主要研究方向：建筑施工。