新世纪混凝土结构对新材料的挑战

  新世纪混凝土结构对新材料的挑战

吕 志 涛 吴 刚 蒋剑彪

（东南大学 南京） （北京特希达科技有限公司）

[ 摘 要 ] 进入 21 世纪，混凝土结构将继续大力发展和应用。它对新材料提出了挑战。本文简述很有发展前景的 CFRP 及 AFRP 、 GFRP 的优良性能以及它们在国内外土木工程中应用的历史和现状，最后，本文提出了面对 FRP ，土木工程师应做些什么的问题。

一、引 言

在过去半个多世纪中，世界各国经济快速增长，土木工程建设大力发展。特别是欧洲、北美各国在战后的前三、四十年，工业大发展，人民生活迅速提高。他们建厂房，造住宅，挖隧道，架桥梁，大搞土木工程建设。

在过去的 50 年间，我国的土木工程建设一直没有停过，且发展很快，尤其在改革开放 20 年间，发展极为迅猛，整个中国几乎成了一个大的建设工地。新的高楼大厦、展览中心、铁路、公路及桥梁、港口、航道及大型水利工程，在祖国各地，如雨后春笋般地涌现，新结构、新材料、新技术大力研究、开发和应用。发展之快，数量之巨，今世界各国惊叹不已。

在过去 50 年的工程建设中，常见的是混凝土结构和钢结构，其次是砌体结构和玻璃结构，尤其在城乡建筑中。

在新世纪的土木工程建设中，仍将以混凝土结构为主，尽管钢结构，包括型钢混凝土和钢管混凝土结构以及满足透明等现代要求的第三代玻璃幕墙结构在各地的高层、超高层建筑和大跨度建筑中也将有新的发展。

新世纪混凝土结构的发展，在很大程度上，有赖于新材料的发展和应用。

在新世纪混凝土结构的发展中，对材料提出了新的要求，发出了新的挑战。我认为，新要求，新挑战，概括起来，是以下四方面：

1. 不仅要求新浇筑的混凝土高强度，而且要求高性能，包括：混凝土的延性，良好的施工性以及使用的耐久性，这就要求研制和应用各种混凝土外加剂和有关材料；

2. 要求寻找一种能抗腐蚀的配筋材料代替混凝土结构内的中、低强钢筋 ( 配置于普通钢筋混凝土结构 ) 和高强钢丝、钢绞线 ( 配置于预应力混凝土结构 ) ；

3. 对既有混凝土结构的加固、修补，要有新的材料。应用之后，不仅使加固后的混凝土结构承载力高，而且加固施工也较便捷；

4. 从环境条件和可持续发展出发，要求废旧混凝土结构材料能回收并再生利用。

国内外已有的研究和工程应用表明，高性能纤维产品是加强和改善混凝土结构的一种新的优良材料。它能接受并部分完成上面四个新要求、新挑战中的三个。

二、高性能纤维制品 — 新世纪的一种结构材料

近几年，国际上已开发了多种高性能非金属加强材料 — 纤维加强塑料 (FRP) 。这些新型加强材料包括：玻璃纤维 (GFRP) 、芳纶纤维 (AFRP) 、碳纤维 (CFRP) 。不同纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而成相应的纤维加强塑料。其最显著的特性是：

— 抗腐蚀能力强，即耐久性好；

— 自重小，且具有很高的材料抗拉强度，即质强比高；

— 弹性变形能力和抗疲劳能力强，但 GFRP 筋的较钢筋低；

— 较高的电阻和较低的磁感应。

但是，它们也有缺点：

— 成本较高；

— 脆性，断裂应变小。

这些高性能产品的力学性能以及它们与钢材的比较可见下面的简表：

FRP 的力学性能及其与钢材的比较 ( 纵向 )*

*) 摘录自 ACI 杂志的有关资料

FRP 材料在航空工业和国防建设中早已得到应用，在体育事业中也有应用。因为它的质强比高，化学稳定性强。不过，过去， FRP 在工程结构中应用得还不算多，因为它们的优点被昂贵的材料价格和制作费用所抵销了。但是，最近，这种状况有了改变。因为随着工艺上的改进，经济性有了好转。然而，目前看来， CFRP 比 AFRP 、 GFRP 在土木工程中更有应用前景。因为它的性能好而稳定，而且，其原材料几乎可以无限制地得到，它的乱向短纤维，加入混凝土中，可大大提高混凝土的抗裂性，延性和承载力。将 CFRP 筋配置在混凝土内，可取代钢筋，从而混凝土结构即使处于较恶劣的环境下，也没有被腐蚀的危险。如果制成索，即 CFRP 绞线，去代替钢绞线，制作先张法或后张法预应力混凝土结构，更是土木工程师们一直在寻找的。用 CFRP 制成的布或薄板，贴于混凝土结构的外表面，其加固效果十分理想，不仅可大大提高受弯、受剪或受扭以及受压承载力，而且能减少裂缝宽度，甚至可增加刚度。同时， CFRP 索是钢质土层锚杆、岩石锚杆的优质代用品，它不受酸碱介质的侵蚀，使用期间不会发生更换之类的事故。此外，还应提及，如果将 CFRP 索代替钢索，去建造悬索桥，则会出现这样的情况：用钢索建造时，只能跨越 1000m ，而用 CFRP 索，可跨越 2000m 。因为悬索桥上悬索的自重在总荷载中占有相当的比例，而 CFRP 的比重只有钢索的 1/5 。

三、 CFRP 在土木工程中的应用历史和现状

1. 如上所述，碳纤维及 CFRP 在土木工程中应用有多种形式；

— C – 乱向短纤维，加入混凝土中，可大大提高混凝土结构的多种性能；

— CFRP 筋，可代替普通钢筋，建造新的混凝土结构；

— CFRP 预应力索、绞线，可取代钢绞线；建成预应力结构或单独使用于锚杆及悬索

桥等结构中；

— CFRP 布、 CFRP 薄板，可用于既有混凝土结构工程的加固，

— CFRP 技术是二战之后出现的。

2. 国内外对 CFRP 的研究及应用历史和现状

二十世纪 60 年代，为解决近海地区和气候寒冷地区的钢筋混凝土结构遭受盐蚀危害的问题，美国 Marshall – Vega 公司生产出一种 GFRP 加强筋用于混凝土结构。可以说，这是对 CFRP 研究和应用的开始。从七十年代末起，开始了这种产品的商业应用。八十年代初， FRP 加强筋逐渐大量地应用于有特殊性能要求的结构物，尤其是受有严重化学侵蚀的结构物。例如，对于有磁共振图象医疗设备的混凝土结构物，传统的钢筋混凝土就不能使用，而选择无磁性的 GFRP 加筋混凝土是很合适的。此外，在一些海堤、工业厂房屋面板、处于侵蚀性环境的混凝土楼板等， FRP 产品越来越得到广泛的应用。

在 1978 年， Strabag Bau AG 和 Bayer AG 合作，生产出一种称为 polystal 的筋，主要由体积率为 68% 的玻璃纤维， 32% 的树脂组成。 1986 年，第一座配置有这种预应力绞线的桥建成通车。这是一座跨度分为 21.3m 与 25.6m 的连跨结构桥，一共使用了 59 根绞线，每根包括 19 根这样的材料，单位面积可提供 600kN 的力。板厚是 150mm ，这种体系也被应用到其它的公路桥上。

1983 年，荷兰 AKZO 与 HBG 决定合作研究以芳族聚酰胺纤维为材料的预应力构件，并起了个商业名字，叫 Arapee ， Arapee 包含有成束的裹在环氧树脂中的芳族聚酰胺纤维。制作的构件形状有条状和圆柱状。实际工程中的应用是很有限的。主要集中在截面尺寸较小的部位。因为与普通钢筋混凝土构件相比，用 Arapee 制作的构件不需要混凝土的保护层，这样就可以减小截面的尺寸。

加拿大第一座预应力公路大桥是中央大街大桥，由采用 CFRP 预应力绞线的大梁组成。这座桥在 1994 年完工，两跨斜拉式结构使活荷载均布。这座桥的两跨跨度分为 22.83m 和 19.23m ，每跨由 13 根圆头 T 形预制梁与一块 150mm 厚的现浇板组成。

同样，在荷兰，为了获得这种预应力 CFRP 材料在桥梁中应用的实践经验，在交通市政与水管理部分赞助下进行了研究， Dontethaven 大桥就是这一计划的一部分。这座桥净跨为 192m 。采用悬臂平衡法施工。计划用 4 根 91 股φ 5 的 CFRP 线材所组成的绞线代替相应的预应力钢绞线。两根短的试验绞线将持荷两年，以观察其长期和短期性能。

用 CFRP 布或板进行混凝土结构加固的技术在一些国家已经很成熟了。

我国在土木工程中应用 CFRP 材料的研究与制备，开始得较早，几乎与国外同步。但因种种原因，发展较慢。只是最近五年， FRP 的研究和应用有了较大的发展。

由上可见，尽管 FRP 是一种性能优良的、新的混凝土结构的加强材料，但是，由于国内外对它们的研究还较少，其应用也不多。因此，很需要我们去进一步研究与开发。

四、对于 FRP ，土木工程师应做些什么？

对于 FRP — 一种新的结构材料及产品，我们土木工程师应做些什么？这是一个很值得研探的问题。我初步考虑，至少应做三方面的工作：

1. 进一步研究 FRP ，包括研究：

(1) FRP 的力学和化学性能，减少它们的脆性，促进其合理应用；

(2) FRP 筋的配筋混凝土结构性能 , 包括弯、剪、扭承载力，约束作用，延性及使用性 ;

(3) 研究 FRP 索的预应力混凝土结构性能及锚固技术和工艺；

(4) 研究贴于混凝土结构外表面加固后的受力性能，包括其承载力、延性、疲劳性能及界面特性等。

2. 在研究的基础上，一方面，组织编制 FRP 的设计与施工规程，另一方面，积极开展工程应用，不仅增加工程应用数量，而且扩大工程应用范围。只有增加应用量、扩大应用面，才能促进 FRP 价格的下跌，从而，又推动其工程应用。

3. 促进 FRP 的国产化和产业化

最后，应强调：推广应用 FRP ，并不意味着钢材地位的降低，因为钢材不可能被完全替代。

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