纤维增强复合材料筋在PRT 系统连续混凝土铺装中的研究与应用

王达

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081）

1 研究背景

个人交通捷运系统（PRT 系统）在成都天府国际机场投入应用，这不但是该系统在我国民航领域的首次应用，也使得成都天府国际机场成为亚洲第一个拥有PRT 系统的4F 国际枢纽机场。PRT 系统作为新型全自动无人驾驶胶轮无轨系统，是一种具有自导向功能的小型车辆，沿专用的轨道运行且全自动无人驾驶的新型轨道交通系统，如图1 所示。

图1 PRT 系统

新型PRT 交通专用行车道采用槽形设计，车辆采用自动防护系统（AVP 系统）通过在行车道槽内侧布设AVP 感应线圈对无人驾驶胶轮小车进行全自动导航[1]。AVP 系统要求在行车道槽范围内不得存在其他金属构件，否则会有对导航信号产生干扰甚至产生误导的风险。因此PRT 行车道槽无法按照普通钢筋混凝土构件进行设计，钢筋的替代材料选择成为重要问题。

本文以成都天府国际机场建设过程中PRT 项目土建工程为背景，以国内纤维增强复合材料（FRP）应用技术的日渐成熟为基础，通过对不同种类的FRP 筋力学性能进行理论分析与现场实验数据对比分析相结合的方法，对传统热轧钢筋的替代材料进行对比分析，最终选择出适用性与耐久性兼备且经济性良好的FRP 筋，作为该工程的理想材料。其研究结果亦可广泛应用于普通连续混凝土铺装路面，可为今后类似的工程项目或设计研究提供参考。

2 FRP 筋的性能特性对比

FRP 是Fiber Reinforced Plastic 的缩写，意为纤维增强塑料。FRP 筋是由高性能连续纤维与基材（通常为热固性树脂材料）胶合后，经过挤压、拉拔等复杂工艺形成的[2]，与钢筋形状相似，作用相同的复合材料。其中高性能纤维是其增强材料，起加劲作用，基材主要起到粘结、传递剪力的作用[3]。

根据纤维材质的不同，土建工程中较为常用的FRP 筋可分为芳纶纤维增强复合材料筋（AFRP 筋）、碳纤维增强复合材料筋（CFRP 筋）和玻璃纤维增强复合材料筋（GFRP 筋）。其基本力学性能参数与普通钢筋的对比如表 1 所示[4]。

表1 常用的FRP 筋与HRB400 钢筋的力学性能对比

由表 1 可见，AFRP 筋、CFRP 筋的抗拉强度远高于HRB400 钢筋，GFRP 筋的抗拉强度略高于HRB400 钢筋，但伸长率较HRB400 钢筋相差较大，延展性较差。因此AFRP 筋与CFRP 筋由于其卓越的抗拉强度，多作为预应力筋使用。而就本工程而言PRT 专用行车道槽断面宽度仅为4.75m，GFRP 筋足以满足其承载力要求，普通连续混凝土铺装路面的情况也与之类似。因此，正常使用极限状态下的混凝土开裂程度与耐久性设计便成为选材衡量的重点方向。

3 FRP 筋的抗裂性能

FRP 筋凭借其材料本身优异的抗腐蚀性能，在混凝土构件耐久性设计中较钢筋更具优势。一般环境下，持久状况正常使用极限状态下带裂缝工作的普通钢筋混凝土构件最大裂缝宽限值为0.2mm，而采用FRP 筋的混凝土构件最大裂缝宽度限值为0.5mm[5]，其抗腐蚀性能可见一斑。

众所周知，混凝土养护期间因水化热导致其内外温差较大，加之混凝土表面水分散失引起的收缩裂缝成为混凝土构件质量通病之一。而混凝土与钢筋的热膨胀系数相近，二者变形协调一致，可从一定程度上抑制裂缝的产生。同理，当混凝土构件中采用的FRP 筋热膨胀系数与混凝土差异较大时，将对收缩裂缝的形成产生不利影响。因此研究不同种类的FRP 筋对温度变化产生的变形情况，对FRP 筋混凝土构件的耐久性具有重要意义。

经研究，通常情况下，混凝土的温度线膨胀系数为1.0×10-5，而AFRP 筋轴向温度膨胀系数为-6.0×10-5~-2.0×10-5，CFRP 筋的筋轴向温度膨胀系数为 0.6×10-5~1.0×10-5[5]，可见AFRP 筋与混凝土的轴向温度膨胀系数相差较大且变形方向相反，在混凝土浇筑后养护过程中更易出现裂缝；研究表明GFRP 筋的轴向温度膨胀系数与混凝土较为接近[6]，可在混凝土浇筑后与之产生同向协调变形，进而有效抑制混凝土表面裂缝的产生。因此GFRP 筋更加适合作为混凝土抗裂筋的选择。

4 现场对比实验与数据分析

为确保亚洲民航系统首创PRT 系统建设精品工程的要求，施工现场分别采用AFRP 筋、CFRP 筋与GFRP筋作为PRT 专用行车道槽筋进行3 组相同环境条件下的混凝土浇筑试验段做对比实验。PRT 标准断面如图2所示。

图2 PRT 标准断面

试验段长度为10m，混凝土采用C35 现浇，FRP 筋道槽顶层布置形式采用横向φ10@20cm 布置，纵向φ10@10cm 布置，绑扎连接，保护层厚度25mm。配筋断面如图3 所示。

图3 配筋断面

混凝土养护期环境温度20~28℃，采用喷洒薄膜养护工艺，浇筑后7d 拆模，养护至混凝土龄期28d 后获得实验数据如表2 所示。

表2 现场3 组试验段对比实验数据

采用AFRP 筋作为抗裂筋的试验段A 组在混凝土收缩过程中产生2 条横向贯通型裂缝，最大裂缝宽度为0.2mm，虽可满足规范要求，但对混凝土构件的耐久性会产生一定影响。而B 组与C 组，分别产生2 条和1条横向表面裂缝，裂缝宽度不足0.1mm，效果较好。

由于FRP 筋的施工工艺与传统钢筋施工存在较大差异，因此3 组试验段在施工过程中存在一定程度的瑕疵，可能对实验结果产生一定影响。但3 组试验段均在相同条件下同时进行，其对比结果应当具有参考价值。根据现场实验数据，GFRP 筋的抗裂性能最优，CFRP 筋与之相差不大，AFRP 筋最差，与理论分析结论基本一致。

经过市场询价，GFRP 筋的市场价格仅为CFRP 筋的20%左右，经济合理性方面同样占具优势。因此，GFRP 筋凭借其良好的承载能力，优异的抗腐蚀性与防裂性能以及造价更低的经济优势成为该工程所选材料。

5 FRP 筋施工特点及特殊措施

由于FRP 筋的材料特性，其密度远小于同等直径的HRB400 钢筋，连接方式也非传统钢筋的焊接工艺，无法现场二次加工等特点，因此施工工艺与钢筋有较为明显的区别。

通过对试验段FRP 筋施工过程的所遇到的问题进行总结发现，FRP 筋施工过程中，定位精度控制较普通钢筋施工困难。因其密度较小，混凝土浇筑过程中存在一定的上浮问题；因其无法采用焊接工艺，绑扎成型后整体性较钢筋差，在混凝土浇筑过程中产生的局部偏位问题亦尤为突出。由此分析，试验段A 组出现横向贯通裂缝与施工过程中AFRP 筋定位精度出现偏差存在一定关联。

针对以上问题，在后续正式施工过程中采用与之配套的连接卡件、专用定位连接件对其进行加固，增加GFRP 筋绑扎的整体稳固性，以确保GFRP 筋的定位精度，同时有效改善了混凝土浇筑过程中的上浮问题，如图4 所示。

图4 GFRP 的连接定位件

另外，由于FRP 筋生产时通常采用热固性树脂作为其基材，一旦成形出厂后，现场无法进行二次加工。因此从FPR 筋的设计到施工各环节应全程采用精细化设计、施工流程，严格控制FRP 筋出厂时的加工尺寸与精度。

6 结语

通过以上理论分析与现场实验数据分析，成都天府国际机场PRT 工程最终选用GFRP 筋作为普通钢筋的替代材料应用于PRT 专用行车道槽施工。该项目土建工程已于2021年9月正式竣工，施工质量较好，成品效果理想，各级行政主管部门以及建设单位评价良好，工程质量安全可靠，各项指标均符合设计和规范要求，得到行业一致认可。目前PRT 系统已进入机电调试最终阶段，专用行车道槽使用情况良好，如图5 所示。

图5 PRT 专用道槽竣工实景

随着PRT 系统的技术成熟与应用推广，无金属环境、耐腐蚀环境等特定因素对工程建设的要求日益提高，传统建筑材料将难易满足科技发展的需求。FRP 凭借轻质、高强、耐腐蚀、耐久性好等优点，在工程建设领域的应用将更加广泛。如何从品类众多的FRP 中，根据不同的工程特点、受力要求、环境要素等条件综合评判选择适合的材料类型就成为亟待解决的研究课题。

（1）AFRP 筋因其轴向温度膨胀系数与混凝土差异较大，且变形方向相反，不宜作为抗裂筋使用。

（2）CFRP 筋具有优秀的抗拉强度，作为抗裂筋使用对其材料性能的浪费较大，加之经济性较GFRP 差，不推荐作为抗裂筋使用。

（3）GFRP 筋在具备一定抗拉强度的前提下，其轴向温度膨胀系数与混凝土较为接近且经济性更佳，成为FRP 类抗裂筋的首选材料，可适用于普通连续混凝土路面铺装等工程，类似的工程可参考使用。