FRP材料与海砂混凝土组合应用的研究现状综述

王 玮 (安庆市建设工程质量监督站，安徽 安庆 246003）

1 引言

近年来，我国的建设量随着经济的快速发展不断增加，混凝土作为主要的建筑材料其使用量也随之激增。混凝土属于二次加工产品，是以水泥为胶凝材料，通过与水、砂、石子拌合而成。根据百年建筑网的数据[1]，2019年1到6月全国商品混凝土总产量达到了11.85亿m3，同比去年增加14.8%。目前建筑用砂采用的多为河砂，混凝土需求量的激增直接导致我国沿海区域城市河砂产量匮乏的问题。参考日本等沿海国家的相关经验，建筑行业将目光转向了海砂资源。与河砂相比，海砂具备粒度均匀、水泥含量低等优点，是较为理想的建筑材料[2]。此外，我国海岸线漫长蜿蜒，长度达到1.8万km，拥有极其丰富的海砂资源。根据王圣洁等[3]的估算，我国近海的海砂总量约为68×103m3，因此沿海区域使用海砂来代替河砂作为建筑材料在产量和含量上是完全可行的。

在日本、荷兰等沿海发达国家，海砂早在20世纪初就已经被开发利用，日本在80年代的海砂用量就已经占到总用砂量的30%以上了，现在已达到80%～90%[4]。当下限制海砂在工程中大量应用的主要因素是其含有能够腐蚀钢筋的氯离子，会对建筑物的耐久性造成不利影响。针对这个问题，国内学者提出了通过海砂淡化、使用阻锈剂等手段来预防钢筋的锈蚀[5]，取得了一些成效。目前国内使用较多的是海砂淡化法，但是由于监管不严等问题，大量未经淡化的海砂流入了建材市场，我国沿海区域出现了大量使用不合格海砂建造的房屋，给国家和人民造成了巨大的经济损失[6]。这也表明上述手段都是治标不治本的方法，要想从根本上杜绝钢筋锈蚀现象的出现，必须使用不会发生锈蚀的材料来代替钢筋。随着材料行业的快速发展，新的建筑材料不断涌现，为彻底解决海砂混凝土构件中钢筋的腐蚀问题提供了新的可能。例如，近年来被广泛运用于土木行业的新型复合纤维增强材料（FRP），且具备轻质，高强度，设计灵活性强等优势，将FRP材料与海砂混凝土组合应用可有效保证结构的耐久性[7]，彻底解决海砂混凝土构件中钢筋的腐蚀问题。近年来，我国正在实施海洋强国战略，需要修建大量的海上建筑物。这与FRP材料与海砂混凝土组合构件的优势不谋而合，海砂与海水可以直接从海洋中直接获取，成本低，且能够满足海上建筑物的耐腐蚀性要求，应用前景广阔。

2 FRP材料国内外发展与应用现状

纤维增强复合材料（FRP）是由高性能纤维与基体按一定比例并经过一定工艺复合形成的一种高性能新型材料。工程中常用的FRP材料主要包括碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芬纶纤维（AFRP）等[8]。目前国内外学者对FRP材料的研究集中于力学性能、耐疲劳性能和耐腐蚀性能三个方面。本文从这三个方面对FRP材料的研究进展展开综述。

2.1 力学性能

在力学性能方面，朱虹等[9]通过试验研究了AFRP筋的极限抗拉强度，建立了AFRP筋的松弛率计算公式。赵谦等[10]人通过对不同比例混杂的碳纤维筋与玻璃纤维筋进行拉伸试验，测定了不同比例混杂筋材的抗拉强度、断裂伸长率等力学特性。曹晓峰等[11]通过试验研究了玄武岩纤维（BFRP）的力学性能，结果表明BFRP筋材的抗拉强度是普通钢筋的2倍以上，弹性模量约为普通钢筋的1/4，抗剪强度仅略小于钢筋的抗剪强度。

2.2 耐疲劳性能

在耐疲劳性能方面。刘传乐等[12]通过试验研究了预应力CFRP筋的耐疲劳性能，结果表明CFRP筋在200万次等疲劳加载后仍未发生破坏，由此证明了CFRP筋耐疲劳性能的优越。谢桂华等[13]通过试验研究了不同温度和应力水平下FRP材料的耐疲劳性能变化规律，结果表明FRP材料耐疲劳性能受温度的影响程度要高于应力条件。龚其丰等[14]通过数值模拟研究了FRP筋混凝土界面在疲劳荷载作用下的粘接性能，得到了锚固长度、应力水平以及应力幅值等参数对CFRP筋在混凝中的粘结疲劳寿命的影响规律。孙理想[15]等研究了疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件的裂缝发展规律，引入了疲劳荷载作用下FRP筋混凝土构件的计算公式，结果表明FRP筋混凝土在疲劳荷载作用下内部会产生疲劳损伤，影响筋体与混凝土之间的粘接性能。

2.3 耐腐蚀性能

在耐腐蚀性能方面。董志强等[16]对处于不同温度和腐蚀条件下的碳纤维和玄武岩纤维增强复合材料筋耐腐蚀性能进行了试验研究，结果表明随着溶液温度的提升，BFRP筋的抗拉强度急剧下降。李趁趁[17]等通过试验研究了碱性条件对GFRP筋和BFRP筋拉伸强度、拉伸弹性模量、剪切强度以及破坏形态等的影响，结果显示碱性溶液降低了GFRP筋的拉伸强度和剪切强度，降低了BFRP筋的拉伸强度、拉伸弹性模量和剪切强度。吴刚等[18]针对玄武岩纤维增强树脂基复合筋材（BFRP筋）在碱性环境中的耐腐蚀性能和腐蚀机理进行了试验研究，试验变量包括树脂基体种类、碱性环境类别、腐蚀龄期等。

3 海砂混凝土国内外发展与应用现状

近年来，在我国沿海区域的城市，淡化海砂也被广泛用作建筑用砂，缓解了该类区域建筑用砂紧缺的现状，经济社会效益显著。在海砂混凝土研究的方面，国内外学者主要着重于对海砂淡化方法、海砂高性能混凝土及海砂混凝土耐久性这三个方面的研究。

3.1 海砂混凝土淡化技术

国外很多沿海的发达国家如日本、英国等很早就开始进行对海砂进行淡化处理后再利用。其中，日本是世界上淡化海砂使用量最大的国家，其对海砂进行淡化的手段主要包括自然放置、淡水冲洗、浸泡以及生物方法等。早在20世纪90年代，我国的赵毛媛等[19]就探索了利用淡水冲洗对海砂进行淡化的工艺流程，实践证明经淡水冲洗后的海砂中氯盐、贝壳等不利因素的含量显著下降。陈杰林等[20]的研究成果也表明对海砂进行淡化能够有效降低海砂的氯盐含量和贝壳含量。汤奇岳等[21]发明了一种祛除海砂中氯化物、藻类等有害物质的新方法，能够使得海砂转变为建筑用砂，且成本低廉。由此看来，海砂的淡化技术日趋成熟，未来对海砂淡化的成本还会进一步降低。必须指出的是，海砂淡化后氯盐等不利因素的含量要严格符合国家相关标准，避免“海砂屋”等现象的再次出现。

3.2 海砂高性能混凝土

史美鹏等[22]介绍了淡化海砂在宁波地区的应用现状，通过对比国内外学者的相关研究成果，提出了淡化海砂能够满足高强混凝土原材的要求的观点。邢丽等[23]研究了氯盐含量和贝壳含量对海砂混凝土和易性及强度的影响规律，结果表明氯盐含量和贝壳含量对混凝土强度几乎没有影响。刘伟等[24]对比了海砂混凝土和河砂混凝土在抗压强度、弹性模量等力学性能的特点，指出在不考虑氯离子对混凝土钢筋腐蚀的条件下，原状海砂的使用效果完全等同于普通河砂。

3.3 海砂混凝土耐久性

殷惠光[25]通过试验研究了氯盐侵蚀与长期弯曲荷载共同作用下海砂混凝土梁和普通混凝土梁的耐久性变化规律，结论表明海砂混凝土梁相较于普通混凝土具备更高的刚度。张璐等[26]分析了海水对普通钢筋的腐蚀机理，揭示了海砂对混凝土耐久性影响的规律。

4 FRP材料与海砂混凝土组合构件

FRP作为一种新型结构材料，其可设计性灵活，目前FRP材料与海砂混凝土的组合已经丰富多样，主要包括FRP筋海砂混凝土结构和FRP管海砂混凝土组合构件[27]，本文主要对这两种结构形式进行介绍分析。

4.1 FRP筋海砂混凝土结构

FRP筋具备轻质、耐腐蚀强、抗疲劳性能强、强度高等优势，使用FRP筋代替钢筋用于海砂混凝土中，既可以发挥FRP筋的优势，也可以发挥海砂粒度均匀、水泥含量低的优点。FRP筋既可以为箍筋，也可以为纵筋，也可以是两种结合形成的钢筋笼，其形式多变。李树旺等[28]通过试验研究了BFRP筋海砂混凝土梁的受剪性能，并根据试验结果修正了BFRP筋海砂混凝土抗剪承载力计算公式，为工程实践提供了设计指导。邢丽等[29]对8根GFRP筋海砂海水混凝土梁试件进行压力试验，结果表明GFRP海砂海水混凝土破坏前有明显征兆，裂缝开展充分，挠度非常大。

4.2 FRP管海砂混凝土组合构件

FRP管海砂混凝土组合构件是指以预制的FRP管为基础，向管内浇筑混凝土形成的组合构件。FRP管能够有效的对混凝土进行约束，提高混凝土的强度和变形能力，同时能充当模板，提高施工效率。

国内外学者的研究多集中于FRP管混凝土，涉及到施工过程中FRP管的受力特性[30]、FRP管中纤维材料的种类[31]、抗震性能[32]等。使用海砂混凝土代替普通混凝土形成的FRP管海砂混凝土组合构件与FRP管普通混凝土构件受力机理几乎相同，故以往对于FRP管混凝土研究的相关结论可快速推广至FRP管海砂混凝土领域，加快FRP管海砂混凝土在实际工程中的运用。

5 结论与展望

FRP材料具备抗拉强度高、耐腐蚀性能好以及抗疲劳性能强等优势，随着国内外学者对FRP材料研究的不断深入，FRP材料在海上等腐蚀性强的地区拥有不可估量的未来。

FRP材料海砂混凝土的研究能够解决沿海地区河砂匮乏的问题，同时彻底解决了当下海砂混凝土中钢筋锈蚀等技术难题，符合国家绿色发展的大方向。加速海洋建设开发已成为我国的重点战略方向之一，这为海砂混凝土的发展提供了一个良好的契机。FRP材料与海砂混凝土的组合能够解决海洋开发建设中所面临的的各项技术难题，是今后海砂混凝土发展的一个重要方向。