FRP混凝土柱力学性能研究现状

2021-03-30何翔姜景山朱兆悦王彦孙逊姜志炜徐凯陈佳龙沈浪彭真顾葛杰张恒

江苏建材 2021年6期

何翔，姜景山，朱兆悦，王彦,孙逊，姜志炜，徐凯，陈佳龙，沈浪，彭真，顾葛杰，张恒

（南京工程学院建筑工程学院，江苏南京 211167）

1 FRP基本介绍

FRP是由增强纤维和建筑主体作为原材料并通过一定的制作加工处理形成的一种新颖材料。相较于钢管混凝土柱等传统工程材料，FRP具备更多的良好特性，包括比强度高，在极端条件下也不易被腐蚀，设计空间大且灵活。FRP主要分为两大类：合成和天然两种纤维增强复合材料。合成纤维增强复合材料有CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。天然纤维增强复合材料有FFRP和JFRP。目前得到广泛应用的主要有GFRP、CFRP和AFRP。

2 FRP研究进展

2.1 人造合成纤维增强复合材料FRP的研究

人造合成纤维增强复合材料的种类主要有四种：CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。这四种增强纤维可用于结构的修复和加固。

（1）芳纶纤维(AFRP)性能

芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维），是一种人工制造合成的具有高性能的纤维，由芬芳聚酰化合物进行单一方向排序形成，主要有三种:Kevlar、Twaron、Technora。芳纶纤维具有高强度和高弹性模量、不易受到高温的腐蚀等良好特性，但抗压强度较低。此外，紫外线和湿气对于芳纶纤维的影响较大。

（2）玻璃纤维(GFRP)性能

玻璃纤维分为E-玻璃纤维、C-玻璃纤维、A-玻璃纤维、S-玻璃纤维及M-玻璃纤维等。在土木工程建设领域中常用的玻璃纤维是E-玻璃纤维和S-玻璃纤维。玻璃纤维的成本较低,可以进行广泛应用，弹性模量较差、易受碱性腐蚀，容易开裂。由于上述弊端和不足，学者们设想出一种解决方案，通过提高氧化铝的用量生产出一种高耐碱型的玻璃纤维―AR纤维。有研究发现，玻璃纤维布（GFRP）对增强混凝土柱的延性具有更好的效果，而碳纤维（CFRP）布对提高混凝土柱的极限承载力有更好的效果。因此，玻璃纤维布（GFRP）在增强混凝土柱的延性方面可以发挥巨大作用。

（3）碳纤维(CFRP)性能

碳纤维有沥青（Pitch)基、粘胶基及PAN基三种碳纤维，PAN基碳纤维应用最广。根据碳纤维的力学性能可以分为高强度和高弹性模量碳纤维两大类。不同于石墨的六面体结构，碳纤维的石墨微晶结构沿着纤维轴进行择优取向。碳纤维和石墨纤维的分类标准取决于纤维含碳量，当纤维含碳量大于99%时，称为石墨纤维,而当纤维含碳量在80%~95%时，称为碳纤维。由于碳纤维是各向异性且制造成本较高，因此如何进一步减少成本、大规模应用还有待研究。

（4）玄武岩纤维（BFRP）性能

玄武岩纤维是在1 500℃超高温度作用下、火山岩熔融状态下，迅速拉伸制作而成的一种具有连续性的金褐色纤维，在建筑工程领域应用广泛。首先在力学性能方面，玄武岩纤维（BFRP）的强度低于高强度碳纤维，但高于玻璃纤维、芳纶纤维这两种纤维的强度。其次玄武岩纤维（BFRP）在大部分恶劣环境下都不易受到腐蚀，尤其是在碱性环境下，自身的化学性能几乎不会受到影响，依旧保持良好的稳定性。再次是玄武岩纤维（BFRP）的造价十分低廉，仅仅是碳纤维价格的1/8~1/5左右，甚至与玻璃纤维的造价相当；与玻璃纤维的绝缘性相比，玄武岩纤维的电绝缘性更胜一筹，在耐热绝缘材料领域也具有一定的价值;此外，玄武岩纤维还有一些其他优势，如温度范围广、绝热隔音、易与树脂结合、材料兼容性能良好等。

2.2 天然纤维增强复合材料FRP的研究

天然纤维增强复合材料的种类主要有两种：亚麻纤维（FFRP）和黄麻纤维（JFRP）。这两种增强纤维主要用于结构的约束。Libo Yan等[1]首次提出将天然纤维增强复合材料用于约束混凝土和天然纤维混凝土，并进行了一系列的试验和理论研究。通过利用碱性溶液处理亚麻纤维，从而提高FFRP的拉伸性能;还进行了FFRP约束混凝土和FFRP约束椰壳纤维混凝土的抗压性能试验和抗弯性能试验，并提出了其抗压性能、抗弯性能理论分析模型。Yan等发现FFRP管的约束能显著提高素混凝土和椰壳纤维混凝土的延性，在抗压强度方面，GFRP管与FFRP管对混凝土的约束效果相差不大。但由于天然纤维复合材料与当前生产方法之间低的兼容性，阻止其得到广泛扩散和应用，因此对于如何广泛应用和发展天然纤维增强复合材料仍有待进一步的研究与探索。

2.3 FRP在土木工程中的应用

目前FRP材料的应用主要有两种，一种是将FRP沿柱环向缠绕，主要用于修复和加固[2]，另一种是在FRP管中浇筑混凝土，主要运用在新建工程中。在混凝土柱子的受拉一侧粘贴FRP,能够承受更大的荷载，有效避免裂缝进一步扩大。通过运用FRP对混凝土柱受损部分进行修复加固与普通混凝土柱子采用黏钢进行修复加固明显存在较大的差异，以及如何计算承载力的方法也不尽相同。国内外学者的主攻研究方向在于采用FRP进行修复加固混凝土梁的情况下，抗弯截面性能、破坏变形程度、承受荷载计算、以及FRP加固后混凝土梁的截面变形程度、裂缝开裂情况等方面。此外，一些学者对FRP预应力加固技术在不同负载下的FRP预应力张拉技术、固定端的锚固、损失的预应力及计算荷载、传递界面应力及改善抗疲劳性能等方面进行了一些试验研究和理论分析，并开始了土木工程的实际应用。

2.4 FRP与钢管约束混凝土柱的对比分析

这两种混凝土柱的对比分析可以得到以下两点：其一是钢管不仅可以对环向进行约束，还能承担轴向压力，而FRP是正交异性材料，只能够承受压力，提供环向约束。其二是钢材为弹塑性材料，可以主动约束混凝土；而FRP材料是一种线性弹性材料，应力－应变曲线近似为一条过原点的斜直线，其对混凝土的约束为被动约束[3]。从20世纪末开始，人们的研究热点转移到FRP约束实心混凝土柱。这是最根本也是最具有典型性的组合状态。还有随着人们环保、绿色、可持续发展理念的增强，天然纤维增强复合材料FRP的研究也逐渐被重视。曾竟成等[4]研究得到黄麻纤维增强复合材料（JFRP）的强度比玻璃纤维低，但因其比重低，故其比强度较高；郑融等[5]研究得到JFRP的比强度是铝合金的1.1~1.2倍。

3 FRP的应用前景

未来研究方向有以下五点：①对于FRP约束混凝土柱的应力-应变关系的研究。②对天然纤维FRP约束混凝土柱与人造合成纤维FRP约束混凝土柱性能的对比研究。③对FRP约束混凝土柱进行数值模拟研究与试验研究相结合。④不同种类FRP的混合使用将会成为未来一个新的研究方向。⑤对于各类新型FRP混凝土组合结构性能的试验研究。