FRP复合新材料的特性及在桥梁施工中的应用优势

杨 凯,张雅丽,吴文杰

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2.甘肃铁科建设工程咨询有限公司,甘肃 兰州 730030)

纤维增强聚合物(FRP)材料已成为生产混凝土结构钢筋的替代材料,特别是在腐蚀性环境中,主要是因为它们具有很高的耐腐蚀性。FRP纤维具有强度高、重量轻、耐腐蚀、尺寸稳定、导热系数低、不导电、电磁透明、耐冲击、寿命周期长等优点[1]。FRP复合材料是作为基体或粘合剂的聚合树脂与作为增强相的强韧纤维组件进行组合与钢在物理和机械性能方面有很大差异,因此需要对FRP钢筋混凝土结构的施工提供独特的指导[2]。

1 FRP复合新材料的特性

FRP复合材料由两部分组成:纤维和基体。纤维的主要功能是承载荷载,为FRP提供刚度、强度、热稳定性和其他结构性功能[3]。FRP复合材料中的纤维必须具有高弹性模量、高极限强度、纤维间强度变化小、在处理过程中强度稳定性高、纤维间直径和表面尺寸均匀性好等特点。基体确保纤维的位置和排列,防止在制造和操作过程中损坏复合材料的耐久性以及防止环境影响。它还负责各个纤维上的载荷分布[4]。在工程建设中,涉及纤维种类较多主要包括:碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)和玄武岩纤维(BFRP)等4种FRP复合材料,其主要性能如表1所示。

表1 各种纤维的性能

1.1 碳纤维

碳是由石油沥青、人造丝或聚丙烯腈原丝产生的。聚丙烯腈碳纤维复合材料(CFRP)因其具有高质量和高强度的特点而被用于结构加固[5]。碳纤维具有很高的拉伸强度和弹性模量,它们不易受到恶劣环境和高温的影响。碳纤维有两种:高强度纤维(HS)和高弹性模量纤维(HM)。碳纤维的主要缺点是价格较高。它们的价格往往是玻璃纤维的10～30倍[6]。

1.2 玻璃纤维

(1)耐碱玻璃纤维—用硅酸锆制成的耐碱玻璃。它能抵抗混凝土中的碱性环境,但成本要高得多[7];

(2)无碱玻璃—无碱、高电阻玻璃,由铝钙硼硅酸盐制成。电子玻璃因其强度和电阻在工业上被称为通用纤维,它是玻璃钢复合材料工业中最常用的纤维;

(3)高强度玻璃纤维—由镁铝硅酸盐制成的高强度玻璃。用于需要高强度、高刚度、耐极端温度和耐腐蚀性的场合[8]。

1.3 芳纶纤维

芳纶是由聚合物芳香族聚酰胺制成的合成纤维。芳纶在紫外线照射下会迅速降解,因此必须对其进行涂层或涂漆。AFRP也能吸收水分。强度和刚度随水接触或高湿度环境而降低。将纤维浸渍在环氧树脂或乙烯基酯基体中可防止水分渗入。芳纶纤维具有最佳的拉伸强度与密度比。芳纶纤维密度最低,比玻璃纤维密度低40%左右[10]。

1.4 玄武岩纤维

玄武岩纤维是纤维增强聚合物和结构复合材料的一种相对较新的材料[11]。它的化学成分与玻璃纤维相似,但具有更好的强度特性,与大多数玻璃纤维不同,它对碱、酸和盐的侵蚀具有很高的抵抗力,这使它成为混凝土、桥梁和海岸线结构的良好候选材料[12]。与碳纤维和芳纶纤维相比,具有应用温度范围更广(-269～+650 ℃)、抗压强度更高、抗剪强度更高的特点。

2 FRP复合新材料在桥梁施工中的应用优势

研究选择了一种创新的预制玻璃纤维增强聚合物(FRP)结构绝缘(SIP)板作为桥梁建造面板[14]。耐腐蚀FRP钢筋格栅和SIP模板集成在非常大的模块化面板中。结构形式充分利用了玻璃钢复合材料的可裁剪性和轻质性,提高了施工速度和安全性[15]。

FRP SIP板是预制装配的现成组件,通常用于腐蚀性环境中的地板格栅,形成由2层(顶部和底部)组成的三维格栅(见图1)。主要承载构件为38 mm工字钢,中心间距为100 mm,在垂直于交通方向(横向)安装。3部分横杆,中心间距为100 mm,沿平行于交通(纵向)的方向穿过工字钢腹板上的预钻孔,提高各加固层的平面刚度,并约束核心混凝土,以确保与结构工字钢的机械兼容性。顶部和底部加固层使用2部分垂直连接件进行集成,连接件的中心间距为100 mm。形成连接件的2个部件的形状为环氧树脂粘合到工字钢上,然后固定在一起。模板由3.2 mm厚和1.22 m长的环氧树脂板组成,这些板与底层的工字钢粘结在一起[16]。

图1 预制FRP SIP面板

每个SIP面板的宽度为7.06 m,典型长度为2.44 m(见图1),质量约为23.7 kg/m2。宽度与桥面的宽度相对应,每侧减去127 mm,以便在现场形成传统的滴水边缘缺口。使用大尺寸和轻质面板,可以在4个锚固点用起重机的单钩轻松地将SIP钢筋放置在桥梁上[17]。相邻面板通过0.30 m重叠以非机械方式连接,通过偏移顶部和底部光栅层形成,从而在纵向上保持一定程度的连续性,具体如图2(a)所示。插入3.2 mm厚的条带覆盖SIP板对板对接接头,以防止混凝土在浇筑过程中泄漏。当使用钢梁时,每2.44 m通过不锈钢螺栓将每个SIP装置固定在顶部法兰上,用6.3 mm厚的FRP垫圈将底部加强层固定到位,具体如图2(b)所示。当在大梁和桥面之间寻求复合作用时,可在面板中心提供纵向和横向间距为10 cm的预钻孔,以容纳焊接剪力钉。面板不需要起拱来匹配使用修整机形成的路拱。端板的长度和布局设计适合实际的桥梁长度和伸缩缝。由于玻璃钢易于锯切,因此可以在现场进行调整,具体如图2(c)所示。

(a)面板连接

使用轻质玻璃钢保持架,大大简化了搬运和安装操作,同时消除了现场钢筋捆扎,缩短了安装时间。从研发到现场实施FRP桥面是制造商以及工程师协调进行的,与承包方一起计划施工作业,以尽量减少时间和工作量[18]。从SIP面板安装到玻璃钢筋混凝土桥面和栏杆的施工。一般在5 d内完成,而不是承包商建造的类似钢桥通常需要2～3周。甲板面板的安装在第1 d由6名工人在6 h内完成。第2 d,安装了36个轨柱笼,形成了甲板细节(伸缩缝、倒角、滴水边),并设置了精整机。第3 d完成桥面浇筑和修整。其余2 d用于安装明柱混凝土连续罐笼和模板,最后浇筑[19]。

3 结语

钢筋可以用FRP复合材料代替,特别是在混凝土结构暴露于环境负荷增加的情况下。使用极限状态是FRP加固结构设计的决定标准。FRP复合材料在桥梁工程中的应用优势明显。经大量的应用发现,该FRP复合材料可广泛适用于新建桥梁,也适用于加固旧桥梁。本研究介绍了一种新型预制FRP筋在快速桥面施工中的应用方案,采用非常大尺寸和轻质的模块式固定板,包括一个双层格栅和环氧树脂粘合模板,设计用于提高施工性能,消除了模板和现场绑钢筋的需要,节约了时间成本[20]。

本方案对桥梁施工设计及新型复合材料的应用提供重要参考。