FRP和RPC在土木工程行业中的应用

杨旭

（西安科技大学高新学院，陕西　西安　710109）

FRP和RPC在土木工程行业中的应用

杨旭

（西安科技大学高新学院，陕西西安710109）

本文简单介绍了目前在土木工程领域广泛应用的两种新型材料FRP（纤维增强复合材料）以及RPC（活性粉未混凝土）的基本概念与性能，并针对FRP和RPC的应用现状以及发展前景进行了分析探讨，以供参考.

FRP；RPC；土木工程；研究与应用

在传统土工工程建筑结构中，其配筋混凝土结构普遍存在锈蚀问题，此问题一旦出现就会影响到建筑结构的耐久性.本文的主要研究方向是分析FRP和RPC的基本概念与基本性能，对FRP和RPC的应用现状进行详细研究，分析FRP和RPC的发展前景.

1　FRP和RPC的提出

现阶段，土木工程领域中最为常见的结构形式是混凝土结构，中等跨径的混凝土梁式桥中，恒载作用效应占总效应的58%左右；大跨径的混凝土梁式桥中，恒载作用效应占总效应78%左右［1-2］.从上述数据不难看出，减轻钢筋混凝土的自重能够显著提高荷载的有效性，具有十分重要的价值.应用高强度以及高性能混凝土，能够在一定程度上减小构件的几何尺寸，继而减少结构自重［3-4］.由于传统的配筋混凝土结构普遍面临着混凝土腐蚀、老化等问题，因此研究其耐腐蚀性以及有效性具有极大的意义.

1.1FRP简介

FRP是由多股连续纤维采用聚酰胺树脂/环氧树脂等基底材料合成后，经过特制的模具来成型.FRP最开始是应用在航天工业领域中，在20世纪80年代后FRP应用于土木建筑领域中［5-6］.在土木工程领域中，应用FRP材料也存在变形小、成本高、现场加工不便等问题.随着FRP生产工艺的逐渐成熟，FRP材料在土木工程领域里有了更为广泛的应用前景.FRP具有以下5个方面的性能：（1）强度高；（2）自重轻；（3）耐腐蚀；（4）抗疲劳；（5）无磁性等.因此，FRP被广泛应用于土木工程建筑结构中.

1.2RPC简介

RPC是在20世纪90年代开发出的高轻度以及高体积稳定性的新型材料，在桥梁建筑工程中应用得最为广泛.从工程应用角度来看，RPC具有以下几个方面的优点：（1）RPC可以有效减轻结构物的自重；（2）RPC可以大幅度提高结构物的耐久性；（3）RPC结构具有超高的耐久性；（4）采用RPC设计构件能够极大地减少受力筋用量；（5）RPC材料具有耐火性和耐高温性.RPC是一种超高强的负荷材料，通过负荷材料的活性能够减少微裂缝与孔隙，提高拌合物的密实度.因此，RPC被广泛应用于土木工程建筑结构中.

将RPC与FRP的优异性能进行结合，就能够形成一种具有优良物理力学性能的配筋混凝土结构形式，在土木工程领域尤其是桥梁构造中可以被广泛应用［7-8］.

2　FRP的研究

土木工程领域针对FRP的相关研究已经取得了较大的成就.FRP作为一种新结构材料在土木工程领域中做出了较大贡献，FRP本身所具有的抗腐蚀性能够在恶劣环境下代替钢筋，在岩土工程中得到相应使用.FRP纤维复合材料本身的材质较为高强，FRP材料能够应用于建造桥梁的主体结构中.简而言之，土木工程建筑中最为重要的材料是混凝土和钢材，而混凝土与钢材也是应用量最大的2种材料［9-10］.在一般情况下，钢筋混凝土结构具有以下2个方面的优点：（1）造价低廉；（2）承载能力大等，应用于路面结构以及桥梁结构中时，钢筋的腐蚀性所带来的后果非常严重.相关资料显示，在1958年，加拿大因为钢筋腐蚀问题导致桥梁结构失效损失了50～70亿美元.

2.1FRP的组成

FRP被分为以下几种：（1）碳纤维；（2）芳纶纤维；（3）玻璃纤维；（4）DFRP；（5）PBO-FRP.FRP制品的形式比较多，主要包括以下几种：（1）FRP棒材；（2）FRP片材；（3）FRP型材；（4）FRP短纤维.FRP的外形特点主要包括以下几种：（1）平面的；（2）立体的；（3）直线的.

2.2FRP筋的基本力学性能

FRP筋是以纤维为增强材料，以合成树脂为基本材料的新型复合材料.FRP筋具有很强的抗拉性，在材质方面较轻，不容易被腐蚀，也不容易受热膨胀和磁力影响.在品质方面，FRP筋超出了普通钢材.从目前使用的各个方面来看，FRP筋具有以下缺点：FRP筋的基本力学性能缺点在于FRP筋材料的抗剪性能差，导致连接配件设计难度较大；另外，FRP筋的应变能力小、防火性能更差，继而影响了在实际土木建筑工程中的相关应用.从上述缺点来看，在土木工程建筑中不可忽视FRP筋上述几个方面的缺点.FRP筋的基本力学性能参数指标如下：（1）钢筋的抗拉强度为483～691MPa、屈服强度为275～413MPa、弹性模量为200GPa、延伸率为＞0.1mm2mm-1、热膨胀系数为11.7/10-6°C-1、比重为7.9；（2）钢绞线的抗拉强度为1379～1861MPa、屈服强度为1033～1395MPa、弹性模量为187～201GPa、延伸率为＞0.04mm2mm-1、热膨胀系数为11.7/10-6° C-1、比重为 7.9；（3）GFRP筋的抗拉强度为518～1206MPa、屈服强度为N/AMPa、弹性模量为42～56GPa、延伸率为0.034～0.05mm2mm-1、热膨胀系数为9.9/10-6°C-1、比重为1.4～2.1；（4）GFRP绞线的抗拉强度为1378～1723MPa、屈服强度为N/AMPa、弹性模量为48～61GPa、延伸率为0.03～0.045mm2mm-1、热膨胀系数为9.9/10-6°C-1、比重为2.4；（5）CFRP筋的抗拉强度为2249～2551MPa、屈服强度为N/AMPa、弹性模量为141～1501GPa延伸率为0.015～0.002mm2mm-1、热膨胀系数为0.6/10-6° C-1、比重为 1.6；（6）CFRP绞线的抗拉强度为1651～2411MPa、屈服强度为N/AMPa、弹性模量为151～1651GPa、延伸率为0.01～0.015mm2mm-1、热膨胀系数为0.6/10-6°C-1、比重为1.5～1.6；（7）AFRP绞线的抗拉强度为1200～2067MPa、屈服强度为N/AMPa、弹性模量为50～73GPa、延伸率为0.02～0.026mm2mm-1、热膨胀系数为-1.0/10-6°C-1、比重为1.25.

2.3FRP在土木工程中的研究与应用现状

FRP在混凝土结构中的主要用途是作为新结构的增强材料，其主要优点表现在以下2个方面：

（1）FRP筋具有良好的耐腐蚀性，在环境较为恶劣的混凝土结构区域内能够替代预应力筋；

（2）FRP材料轻质高强，如CFRP拉索可以有效提高缆索桥梁的跨越能力，继而设计出更为创造性的桥梁结构；FRP在美国以及日本等建筑桥梁中有应用实例，FRP筋作为预应力筋能够广泛应用于桥梁结构中.

在20世纪60年代，人们逐渐意识到钢筋腐蚀所带来的危害性，继而进行深入的研究，寻找到了一种保护钢筋的方法（即在钢筋表面电镀一种保护膜）.钢筋保护膜降低了抗腐蚀作用，但是钢筋保护膜方法的主要缺点是：在短时间内失去了作用.基于此，为了有效解决上述问题，提出使用环氧树脂材料作为钢筋保护膜的概念，在20世纪60年代后期将环氧树脂材料应用于聚合物混凝土中.而环氧树脂材料的相关应用影响了钢筋聚合物混凝土的研究，基于此，专家研究出了FRP筋，FRP筋材料可以用于增强混凝土.在20世纪末，我国开始注重纤维复合材料在土木工程领域中的相关应用.我国也相应成立了土木工程的委员会，委员会的成立使得FRP的研究更为专业，因此在很大程度上推动了FRP在土木工程建筑中的发展进程.现阶段来看，我国对FRP的材料特性结构进行深入研究.FRP筋的特殊属性为：（1）非磁性；（2）强度高；（3）抗腐蚀等.

3　RPC的研究

在1993年，法国实验室研制出一种高耐久性以及高抗压强度的水泥基复合材料.由于提高了组分的反应活性，因此被称为RPC.在1998年，加拿大实验室就RPC的基本原理以及基本性能等进行深入研究，相关专家认为RPC作为一种新型的混凝土具有广泛的应用前景.RPC所具有的低孔隙率功能在力学基础性能方面高于其他性能的混凝土结构，根据抗压强度的高低RPC可以被分为以下2个等级：（1）RPC200；（2）RPC800.与同类型的钢材相比，RPC的

价格较为低廉，因此在市政工程以及输送管道建设中有着极高的价值.

3.1RPC的材料组成

法国实验室所研制的RPC材料由以下几个方面组成：（1）水泥；（2）粒径＜1mm细砂；（3）石英粉；（4）硅灰；（5）钢纤维；（6）高效减水剂.在硬化过程中，采取适当的成型工艺能够获得RPC.RPC的配置原理：以最大密实度理论为基础，以提高组分的活性为辅，减小材料的微裂缝状况，最终获得最好的耐久性.在任何情况下，提高颗粒的密实度是设计RPC材料的基础.

3.2RPC的主要性能

与高性能混凝土相比，RPC材料的显著特点是：耐久性良好、强度高、韧性高.RPC200抗拉强度为170～232MPa、抗折强度为30～60MPa、弹性模量为40～60GPa、材料断裂韧性为20～40kj*m-2，RPC 800抗拉强度为500～800MPa、抗折强度为45～140MPa、弹性模量为64～75GPa、材料断裂韧性为1.1～2.0kj*m-2，高性能混凝土抗拉强度为60～100 MPa、抗折强度为6～10MPa、弹性模量为0～40GPa、材料断裂韧性为0.14kj*m-2.

3.3RPC研究及应用现状

RPC材料问世不久，在国内外研究其他材料均远远多过于RPC材料，目前对其结构构件方面的工程实践应用研究很少，国内外发表的文章也较为有限.目前来看，RPC在工程结构中研究不够深刻.国外对RPC的配置技术研究趋向于成熟，对RPC的养护条件以及耐久性等进行大量实验研究.结果表明，RPC具有较高的密实度，在耐久性方面以及抗压强度方面有很大程度的提高.我国在超高性能混凝土的应用方面起步较晚，但是进步速度非常快.在20世纪50年代之后，我国使用抗压强度100 MPa的混凝土进行生产，除此之外，武汉理工大学等高校对RPC的原材料进行相关研究，为其在工程建设领域中的应用创造了相应条件.

4　FRP和RPC的应用研究前景

现阶段相关研究证明，FRP和RPC都具有广泛的发展空间，在土木工程领域中也占据了较为重要的地位.加之FRP具有特殊性，充分显示出线弹性.把RPC引入到FRP中能够很好地避免延展性差的问题，要想进一步使得FRP和RPC具有更为广泛的发展空间则需要进一步改善其在具体应用中暴露出来的弊端.

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