纤维增强塑料在公路工程中的研究进展

刘淑艳，崔洪军，张朝阳，薛晓，王清洲

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.天津市交通科学研究院，天津 300074)

随着我国经济建设的快速发展，大力推动了公路基础设施建设的步伐。混凝土、钢筋混凝土、钢结构等材料是公路基础设施建设中的首选材料，已沿用百年以上，整体使用效果较好。这些材料建造的少数公路结构物因材料腐蚀、老化以及施工缺陷，在运营期产生较多早期损害，并且性能恢复施工难度大、维护成本高，严重影响了构造物的使用寿命和正常工作[1]。

纤维增强塑料(FRP)作为新兴土木工程材料，凭借着轻质高强、耐腐蚀以及可设计性强等一系列优点，有效地解决了传统材料易产生早期损害的问题，近年来广泛应用于公路工程建设中，使用效果良好。笔者综述了FRP的特点以及在公路工程领域中涵洞工程、桥梁工程、锚杆支护工程、旧桥加固、防撞设施等方向的应用，阐述其未来发展趋势，以期推动其在公路工程中更好的应用。

1 纤维增强塑料的特点

(1)轻质高强。

FRP 材料的相对密度介于1.5～2.0 g／cm3，仅是普通钢或铸铁的1／4～1／5，比轻金属铝约小1／3，拉伸强度却接近甚至超过普通碳素钢的水平[2–6]，具有优良的力学性能，这使得FRP 材料在运输和安装过程中更加轻捷方便，同时减轻了自重，更加经济[7]。FRP 材料与其它材料的性能对比如图1 所示。

图1 不同类型材料对比

(2)优良的耐腐蚀性。

FRP 材料的内衬层的树脂含量达到了90%以上[8]，树脂具有较高的稳定性，与无机盐溶液、表面活性剂以及聚合物溶液不易产生反应[9]。此外，还可以根据FRP 材料不同的工作环境和需要，在FRP 材料的内衬层与外保护层选择不同类型的树脂进行加工，从而使FRP 材料防腐蚀的效果达到最佳[10]。对于酸性环境条件下，选用双酚A 树脂和呋喃树脂效果最好；而碱性环境条件下，乙烯基树脂、环氧树脂以及呋喃树脂表现良好；在溶剂型的使用环境下，呋喃等类型的树脂则较为适用；若是酸、盐以及溶剂等腐蚀环境并不是特别严重的情况下，选用间苯型不饱和聚酯树脂会使得FRP材料更具有经济性[7，11]。

(3)优良的耐磨性。

由于FRP 材料制成的管道在固体颗粒物料管道运输工程中的大规模使用，因此FRP 管道的耐磨性能被越来越重视[12]。大量泥浆砂石的砂浆水密封管道内的300 万次旋转磨损对比试验、25 万次的负载循环磨损试验均证明FRP 管内壁具有优良的耐磨性能，优于球墨铸铁–水泥内衬管、环氧树脂和焦油涂层处理的钢管内壁[13–14]。

(4)可设计性强。

FRP 材料由于具有灵活的可设计性，可以根据具体的应用场合和使用环境对其进行形状、颜色、结构形式、壁厚、部件之间的接头方式等进行设计，从而达到和满足不同功能的需要[15]。例如，通过在设计的FRP 夹层结构中填加树脂石英砂或者聚氨酯泡沫等不同填充物，可以此来满足经济性和隔热性能的条件。此外，根据FRP 材料的特殊结构与受力特性，可以通过改变FRP 材料的纤维铺设角度和铺层方式，从而使得FRP 材料在不同方向具有不同的强度分配。而改变纤维与树脂的类型或者通过掺入添加剂的手段，使FRP材料达到了耐腐蚀、阻燃、介电等目的[7，16–18]。

(5)优良的水力学性能。

FRP 管道由于内衬层的存在，内壁非常光滑，粗糙度和摩阻力远低于钢管、铸铁管等金属管道[4，9，17]，不同管材内壁粗糙度列于表1[11]。根据管道满流与非满流两种不同情况分别采用Hazen-Williams 公式和曼宁公式进行水头损失计算发现[18–21]，满流情况下的FRP 管道水头损失相较于同管径、同流量的球墨铸铁管降低了约23.3%，非满流情况下的FRP管道水头损失相较于同管径、同流量的球墨铸铁管降低了约33.3%～50%[7，11]，证明了FRP 管道相较于同等条件下的金属管道具有更加优秀的输水能力。

表1 不同管材内壁粗糙度 mm

(6)热导率低、热应力小

同一水平条件下，FRP 材料相较于钢材在热性能方面有着非常明显的优势。FRP 材料与钢材性能参数对比见表2[7]。FRP 材料的热导率为0.27 W／（m· ℃），仅为钢材的0.4%，二者相差悬殊。极低的热导率保证了FRP 材料良好的保温性能，降低了FRP 制品输送、储存介质时的热能损耗。此外，同一内外温差条件下的FRP 材料的线性热膨胀系数与钢材大致相当，而FRP 材料的轴向热应变之比明显大于钢材，并且FRP 材料的轴向拉伸弹性模量为11.2 GPa 远低于钢材的210 GPa，温差在FRP 材料上产生的热应力仅为钢材的9.1%[7，11，16]。因此在管道衔接的实际工程中，FRP 材料往往不需要膨胀接头的连接来消除热应力集中的情况，而钢材由于过大的应力集中问题需视情况考虑，这也保证了FRP制品在潮湿、沙漠、海底、冰冻等各种恶劣环境应用条件下仍具有良好的效果。

表2 FRP 材料与钢材性能参数对比

(7)优良的电绝缘性能。

FRP 材料作为一种新型电绝缘材料具有优良可靠的保障。FRP 材料的介电强度为12～16 kV／mm，体积电阻率约为1×1014Ω·cm，表面电阻率约为1×1011Ω，因此FRP材料是一种良好的绝缘材料[6，11]。由于FRP 材料具有良好的绝缘效果，使得FRP 材料在输电线塔、电磁干涉实验室、电信线路以及多雷暴天气地区得到了广泛应用[2，7，22]。此外，通过研究FRP 材料在辐照作用下的电绝缘性能变化规律发现，FRP 材料在辐照作用下的电绝缘性能不降反增，满足了FRP 材料在高能物理和核物理辐照环境下仍能保持高电绝缘性能的要求[23]。

(8)防污抗蛀。

FRP 材料的内衬层非常光滑，具有优良的防污抗蛀性能，可大大节约维护成本。FRP 管道粗糙度仅为0.01 mm，Hazen-Williams 系数可以达到150，远远优于钢管、铸铁管等金属管道，光滑洁净的内壁确保了FRP 材料在海水、污水等环境下甲壳类、菌类以及一些微生物难以在其内壁上粘附存活。而金属或混凝土管道则因为内壁粗糙率较高，大量的甲壳、菌类等生物粘附，使得内壁粗糙度越来越大，进一步减小管径、增加流水阻力、降低泵送功率等[7，23]。

2 在公路排水中的管涵应用研究

公路工程应用的纤维增强复合塑料管绝大多数为FRP夹砂管，即在纯FRP 管材的纤维缠绕层之间加入树脂砂层，可大大提高拉伸弹性模量、刚度，改善管材的埋地特性。目前，FRP 夹砂管已成为传统钢筋混凝土管、钢管等刚性管道的良好替代品。

2.1 FRP 管道力学性能的研究

目前，国内外对FRP 夹砂管涵洞力学性能方面的研究非常丰富，并取得了丰硕的研究成果，为玻璃钢夹砂管涵的设计和参数取值提供了良好的理论基础。组分材料性能和缠绕角度等生产参数是影响管涵结构力学性能的主要因素之一。王清洲等[24]建立FRP 夹砂管数值计算模型，分析了管道各项物理参数的改变对于其性能和环刚度的影响。陈涛[25]、石华旺等[26]以及高怀君[27]采用MATLAB 和ANSYS 联合仿真计算研究了FRP 夹砂管的管道层数、纤维体积比、夹砂层厚度、交叉缠绕层体积比以及缠绕角度等参数对于FRP 夹砂管的刚度、强度等力学性能的影响规律，在保证FRP 夹砂管安全性能的基础上使其在经济、结构等方面均得到了较大提升。王清洲等[28–30]以试验和实际工程获取的数据为基础，建立了可靠的有限元模型，优化了多夹砂层FRP 夹砂管的各层厚度，并对FRP 夹砂管的径厚比提出了合理建议。A.Kavch[31]对复合材料夹芯管道的环刚度进行了分析，在建模过程中考虑了材料性能非线性的影响，将管道的夹心层厚度、材料参数、内外结构层厚度作为优化参数，通过ANSYS 对管道进行建模并分析，获得了性价比最高的复合材料夹芯管结构。R.M.Guedes[32]采用室内试验和有二维有限元模拟计算方法对荷载作用下的FRP 管进行受力及变形性能研究，建立了临界截面的最大挠度和最大应变之间的简单定律，提出有限变形理论的分析方法。这些研究为管材材料优选和生产加工工艺参数确定提供了依据。

FRP 夹砂管的破坏模式、破坏荷载以及疲劳损伤关系到管涵服役特性优劣的关键参数，也是管壁结构优化的依据。王清洲[8]、张济源等[33]陈兆南[34]针对FRP 夹砂管的压缩性能、拉伸性能、以及平行板外载性能等一系列力学性能开展试验，确定了FRP 夹砂管在荷载作用下的破坏荷载和破坏模式。C.Affolter 等[35]则通过对单层夹砂层FRP 夹砂管进行室内的弯曲性能试验、层间剪切强度试验以及管环静载破坏试验，确定了单层夹砂层FRP 夹砂管的基本力学性能和破坏荷载，探究了服役过程中单层夹砂层FRP 夹砂管的破坏过程和破坏原因。上述研究成果为FRP 夹砂管的优化和结构设计等方面提供了重要依据。此外，管涵在交通荷载的重复作用下产生的疲劳问题也是不可忽略的。石华旺等[36]评估了300 万次、王清洲等[37]评估了250 万次低幅值的疲劳性能试验后FRP 夹砂管环的力学性能，仍然满足公路工程涵洞的使用标准。S.Ahmet等[38]在交变内压下建立的S–N曲线和A–N 曲线来研究疲劳载荷作用下管涵的疲劳损伤行为。V.A.Passipoularidis 等[39]研究了FRP 材料的剩余强度预测模型，适用于变幅疲劳载荷或变周期疲劳载荷作用下的管道剩余强度的预测。这些研究证明了FRP 夹砂管具有良好的抗荷载疲劳特性，非常适合承受交通荷载的反复作用。

2.2 FRP 管–土作用研究

作为一种新型柔性排水管涵，FRP 夹砂管服役期允许产生3%～5%的变形，管–土相互作用更加复杂，也是能否具有良好服役性的重要因素。Y.J.Chiou 等[40]，A.S.Sharif等[41]分析弹性软土中的埋地管道的力学性能，其中管道参数、埋设方式、埋深比、管土之间摩擦等因素是影响埋地管道的受力特性的主要因素。Young-Geun Lee[42]针对给排水管道工程中所应用的大口径FRP 夹砂管，采用工程现场的足尺试验，获取了埋深16 m FRP 夹砂管387 d的径向变形数据，并将试验所测得的变形数据与爱荷华公式和有限差分法预测的结果进行比较，预测了60 年后FRP 夹砂管涵的竖向变形小于其竖向变形极限的5%。柔性管涵的变形大部分来源于施工期和工后沉降阶段，填土高度和管周压实度是变形产生的主要来源。魏连雨等[43]、陈兆南[44]针对服役过程中的FRP 夹砂管在动荷载、静荷载以及超载等不同荷载条件下的力学性能进行监测发现，覆土高度的提升可有效降低路面交通荷载对于管涵的影响，并确定了允许重型工程车通过的浅埋高度。相关研究均证明FRP 夹砂管具有优良的埋地特性，可以满足公路涵洞设计要求。

2.3 FRP 管道的多排应用研究

双排以及多排的埋地FRP 夹砂管涵的应用是一种新的尝试，避免了路基高程对于管涵敷设的限制，并取得了良好的效果。王清洲等[45]针对双排FRP 夹砂管替代单排FRP夹砂管的断面流量、力学性能以及经济性等多方面的可行性分析表明，双排FRP 夹砂管的各方面均符合应用要求，具备大范围应用的潜力。汪洋[46]和王清洲等[47–49]仿真研究了双排及多排埋地FRP 夹砂管的力学性能，结果表明涵管间距、填土压实度以及加载方式对于双排及多排埋地FRP 夹砂管的受力位置与变形特性均有不同程度的影响。在浅埋条件下，双排FRP 夹砂管替代单孔大直径FRP 夹砂管时应采取土工格栅减载、控制双排管满足最小间距的工程措施。

3 在桥梁工程中的应用研究

FRP 凭借着优良的特性在桥梁工程中的应用具有广阔前景，已广泛应用在桥梁建设、桥梁加固以及桥梁防撞等方面。

3.1 在桥梁建设工程应用中的研究

自1982 年世界上第一座FRP 公路桥在我国北京密云建成后，复合材料桥梁凭借着施工快、质量轻、耐腐蚀以及维护方便等优点在世界各国快速发展[50]。各类FRP 制造的桥梁构件层出不穷，并取得了良好的应用效果。

复合材料桥板凭借自身优势解决了传统桥板腐蚀、混凝土退化等问题，使其在桥梁建设中大放异彩。第一座FRP夹芯桥面板公路桥于1996 年在美国的堪萨斯州建成。此后各国不断开发不同新型结构的复合材料桥面板如图2 所示[51–56]，其中主要包括：Superdeck 桥面板、Asset 桥面板、ACCS 体系空心板、Duraspan 桥面板、EZ–Span 桥面板以及Strongwell 桥面板。FRP 桥面板的桥梁最早是在德国弗里德伯格公路上建造的，此类新型桥梁具有良好的耐久性并可现场完成快速安装[57]。邹芳[58]提出了一种新型格构腹板增强轻木夹芯复合材料桥面板，相较于原桥面板质量减少了57%。高媛[59]设计了一种适用于悬索桥的FRP 夹芯桥面板，经模拟分析表明，其各项力学性能均满足要求。FRP 复合材料桥梁结构是未来桥梁走向装配式、轻量化、大跨径的关键。

图2 FRP 板体系示意图

另外，由FRP 制成的拉索亦是复合材料桥梁建设中的一大突破，解决了传统钢索自重大、强度不足以及易疲劳等问题。1996 年瑞典的温特图尔市建造了第一座采用FRP 拉索的悬索桥—Storchen Bridge 桥，之后FPR 拉索悬索桥在丹麦、荷兰等国也纷纷建成[60]。但由于FRP 材料是典型的各向异性材料，且抗剪强度较低，FRP 拉索的锚固成为难点。汪昕等[61]提出了一种适用于多根、大直径的FRP 复合材料拉索整体式变刚度锚固方法，分析了FRP 拉索应力集中产生的根本原因，推导出了界面摩擦系数关系式和锚固力计算公式。Wang Xin 等[62]提出了一种FRP 拉索新型锚固方法，结果表明该方法实现了锚固区应力较均匀分布并减少了拉索的应力集中出现。2017 年国家标准《结构用纤维增强复合材料拉索》(GB／T 35156—2017)正式颁布，为FRP 拉索在中国工程中的推广应用提供理论依据。

3.2 在桥梁加固工程应用中的研究

公路桥梁的早期裂缝、老化、破损以及承载力不足是运营期桥梁普遍存在的损害。通常上述损害采用物理粘钢、套箍和化学灌浆等加固手段，由于设备和环境等因素的限制，使得加固效果参差不齐。而施工便捷、轻质高强的纤维增强塑料加固桥梁备受青睐。它主要包括外贴纤维增强塑料加固法、表面附近锚固法(即NSM 法)以及内部FRP 加筋法。外贴FRP 加固法作为桥梁加固方法中应用最广的一种方法，是首先将树脂基底均匀涂抹在处理过的混凝土表面，随后将尺寸合适的FRP 按照要求层数逐层贴到规定位置。NSM 法是将桥梁需加固区域进行矩形槽开挖，利用树脂把FRP 筋锚固在相邻构件上。内部FRP 加筋法则是利用FRP 筋代替传统钢筋与混凝土形成复合结构。

针对FRP 加固的力学性能，诸多学者开展了较为深入的研究，推动了FRP 加固技术的应用与发展。吴茂胜[63]结合工程实例分析发现，FRP 可有效提升桥梁极限承载力和破坏荷载。段敬民等[64]与曾宪桃等[65]通过对粘贴FRP 板的混凝土梁进行试验分析发现，粘贴FRP 板对于混凝土的开裂弯矩、极限承载力以及刚度均有提升，并在试验的基础上进一步得到了FRP 板和组合构件的计算表达式。李亚[66]和李文龙[67]采用试验和有限元计算方法进行了FRP 混合箍筋混凝土梁的抗剪性能研究，分析了配箍率、剪跨比等因素的影响，并推导出极限受剪承载力计算公式，推动了FRP筋在加固工程中的应用。H.Eliya 等[68]采用拉拔试验评估FRP 筋与混凝土之间的粘结性能发现，FRP 筋与混凝土之间通过化学粘附、机械互锁以及摩擦实现力的传递，FRP 筋的尺寸与生产变异性是影响粘结性能的主要因素。由于我国在FRP 加固桥梁技术应用与加固规程等方面起步较晚，相较于日本和和欧美等国仍有一定差距，加固桥梁的长期性能等方面需进一步探索。

3.3 在桥梁防撞工程应用中的研究

航道上航行船舶与桥梁碰撞事故日益频繁，船桥碰撞事故的发生常带来巨大的人员伤亡、经济损失以及环境污染。设置安全可靠的桥梁防护措施，对于降低桥梁撞击灾害具有重要意义。传统的人工岛、群桩以及钢箱等手段均有一定局限性，而FRP 因其自身轻质高强、耐腐蚀以及可设计强等特点，在桥梁防护工程中受到了极大重视。南京工业大学先进工程复合材料研究中心首次提出了大型桥梁复合材料防撞系统的概念，并率先开展关于桥梁复合材料防撞系统设计制造与创新研究[50]。成功研制的自浮式和固定式等复合材料防撞系统，在乌龙江大桥、润扬长江公路大桥、张家港巫山大桥等30 多项桥梁防撞系统中取得了良好的应用效果，如图3 所示。王飞等[69]研发了一种新型柔性复合材料防撞装置，研究结果表明相较于传统刚性防撞装置，复合材料防撞装置防撞效率更具优势。方海等[70]以武汉鹦鹉洲长江大桥为出发点分析了纤维增强塑料防撞装置的破坏模式，证明了纤维增强塑料防撞装置可有效降低船桥碰撞过程中二者的损伤。李嵩林等[71]研发了环保型浮式柔性防撞装置，Hua Jiang 等[72]提出了手糊工艺制造的FRP 管复合材料防撞装置，均具有良好的缓冲消能效果。因此，FRP 防撞设施作为桥墩防撞装置具有较好的应用前景。

图3 不同FRP 防撞装置

4 在公路工程其它方面中的应用研究

FRP 除了广泛应用于公路工程中的涵洞和桥梁方面之外，在边坡锚杆支护、路面面板、水泥混凝土路面材料等其它诸多工程中也有着良好的应用效果。锚杆支护技术在边坡防护和支挡工程中有着广泛的应用。常规的钢质锚杆在侵蚀、潮湿以及冰冻等恶劣复杂的服役环境下非常容易发生锈蚀，其安全性和耐久性受到了极大挑战，解决锚杆锈蚀在工程建设中已经迫在眉睫。FRP 锚杆出色的耐腐蚀性成为代替钢材锚杆的首选。匡亚川等[73]借助有限元软件和现场试验的方式研究了FRP 锚杆的粘结性能，优化设计后的FRP锚杆粘结性能优异。徐晓莲等[74]、刘通昌[75]利用试验和数值模拟方法对FRP 锚杆进行研究，并在边坡支护的实际工程中确定了FRP 锚杆应用的稳定性和可行性。

FRP 制成的复合材料路面板具有轻质高强、刚度大、车辆通过性好以及节点传力可靠等优点，在应急抢修路面建设中备受青睐。尤其是FRP 路面板在淤泥、沼泽以及沙滩等恶劣场地中具有快速拼接使用的优势。方海[76]成功利用真空导入成型技术设计并制备了轻质高强的纤维增强塑料垫板，在军队、石油以及应急抢险等领域得到应用。陈洲等[77]、徐靖等[78]开展了FRP 路面板的拉伸性能、层间剪切性能、冲击性能以及动态热力学等性能试验，结果表明FRP 路面板可满足交通车辆通行的要求。华正良[79]提出采用FRP筋代替钢筋修筑连续配筋水泥混凝土路面，试验证明该FRP筋水泥混凝土配筋路面具有广阔的应用前景。将废旧FRP磨细后作为水泥混凝土填料是一种较常见废旧FRP 材料回收的做法。多数研究表明将增强纤维用于混凝土可以提高其力学性能[80–82]，能够有效提高混凝土的可加工性以及获得更低的孔隙率，且可制约微裂缝形成大裂缝[83–84]。目前，我国FRP 在路面中应用的较少，该领域也是未来研究的重点。

5 纤维增强塑料材料的未来挑战

工程材料的回收将有助于工业流程的可持续性和可持续发展，但是FRP的废物回收遇到了巨大挑战和困难。首先，复合材料产品中固有的基质材料、增强材料和填充材料的异质性，导致材料可回收性差，材料的分类困难，这增加了回收的阻力。其次，用量占较大比例的热固性FRP，热固反应后无法再次重塑。因为热固性复合材料的树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三度的网状结构，不仅不能再熔触，在溶剂中也不能溶解[85]，使其在自然环境中降解的周期甚至可长达数十年，这给回收工作带来了很大的困难。另外，废物对环境产生的负面影响是世界范围内的一个主要问题，需要强调回收过程和再利用方式的合理性。掩埋和焚烧是目前最常见且廉价的处理方式，人类不得不将大量的FRP 采用这两种低端的再利用方式处理，对环境和生态产生不利影响，因为掩埋会占用大量土地和污染地下水，焚烧则可能会产生有害气体污染空气。因此，这两种方法从长期来看都无法持续，并且已经受到相关部门的严格监管。最后，还有一系列的再利用难题阻碍了复合材料废弃物的再利用，诸如高回收成本，回收后材料可能再利用的产品市场缺乏，以及与原始材料相比回收物力学性能的降低等。未来，FRP 复合材料的回收再利用将是该领域发展的研究热点问题。

6 结论

近年来，FRP 作为一种新型复合材料为公路工程结构带来了全面革新，通过在涵洞与桥梁建造和维护过程中替换传统的混凝土、钢筋等材料，以此来提升涵洞和桥梁的力学性能和耐久性能，取得了较为良好的效果。未来，FRP 夹砂管涵的长期性能与结构优化、装配式桥梁、废旧FRP 材料的回收再利用等方面将是研究的热点问题。