混凝土結(jié)構(gòu)對新材料的挑戰(zhàn)

摘要：進入21 世紀(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)將繼續(xù)大力發(fā)展和應(yīng)用。它對新材料提出了挑戰(zhàn)。本文簡述很有發(fā)展前景的CFRP 及AFRP、GFRP 的優(yōu)良性能以及它們在國內(nèi)外土木工程中應(yīng)用的情況，最后，本文提出了面對FRP，土木工程師應(yīng)做些什么的問題。

一、引言

在新世紀(jì)的土木工程建設(shè)中，仍將以混凝土結(jié)構(gòu)為主，盡管鋼結(jié)構(gòu)，包括型鋼混凝土和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以及滿足透明等現(xiàn)代要求的第三代玻璃幕墻結(jié)構(gòu)在各地的高層、超高層建筑和大跨度建筑中也將有新的發(fā)展。

在新世紀(jì)混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，對材料提出了新的要求，發(fā)出了新的挑戰(zhàn)。我認(rèn)為，新要求，新挑戰(zhàn)，概括起來，是以下四方面：

1. 不僅要求新澆筑的混凝土高強度，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，這就要求研制和應(yīng)用各種混凝土外加劑和有關(guān)材料；

2. 要求尋找一種能抗腐蝕的配筋材料代替混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的中、低強鋼筋(配置于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))和高強鋼絲、鋼絞線(配置于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu))；

3 . 對既有混凝土結(jié)構(gòu)的加固、修補，要有新的材料。應(yīng)用之后，不僅使加固后的混凝土結(jié)構(gòu)承載力高，而且加固施工也較便捷；

4 . 從環(huán)境條件和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，要求廢舊混凝土結(jié)構(gòu)材料能回收并再生利用。

國內(nèi)外已有的研究和工程應(yīng)用表明，高性能纖維產(chǎn)品是加強和改善混凝土結(jié)構(gòu)的一種新的優(yōu)良材料。它能接受并部分完成上面四個新要求、新挑戰(zhàn)中的三個。

二、高性能纖維制品 - 新世紀(jì)的一種結(jié)構(gòu)材料

近幾年，國際上已開發(fā)了多種高性能非金屬加強材料 - 纖維加強塑料(FRP)。這些新型加強材料包括：玻璃纖維(GFRP)、芳綸纖維(AFRP)、碳纖維(CFRP)。不同纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復(fù)合而成相應(yīng)的纖維加強塑料。其最顯著的特性是：

1、抗腐蝕能力強，即耐久性好；

2、自重小，且具有很高的材料抗拉強度，即質(zhì)強比高；

3、彈性變形能力和抗疲勞能力強，但GFRP筋的較鋼筋低；

4、較高的電阻和較低的磁感應(yīng)。但是，它們也有缺點：成本較高；脆性，斷裂應(yīng)變小。

這些高性能產(chǎn)品的力學(xué)性能以及它們與鋼材的比較可見下面的簡表： FRP 的力學(xué)性能及其與鋼材的比較(縱向)*

FRP材料在航空工業(yè)和國防建設(shè)中早已得到應(yīng)用，在體育事業(yè)中也有應(yīng)用。因為它的質(zhì)強比高，化學(xué)穩(wěn)定性強。不過，過去，F(xiàn) RP 在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用得還不算多，因為它們的優(yōu)點被昂貴的材料價格和制作費用所抵銷了。但是，最近，這種狀況有了改變。因為隨著工藝上的改進，經(jīng)濟性有了好轉(zhuǎn)。然而，目前看來，CFRP 比AFRP、GFRP 在土木工程中更有應(yīng)用前景。因為它的性能好而穩(wěn)定，而且，其原材料幾乎可以無限制地得到，它的亂向短纖維，加入混凝土中，可大大提高混凝土的抗裂性，延性和承載力。將CFRP 筋配置在混凝土內(nèi)，可取代鋼筋，從而混凝土結(jié)構(gòu)即使處于較惡劣的環(huán)境下，也沒有被腐蝕的危險。如果制成索，即CFRP 絞線，去代替鋼絞線，制作先張法或后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，更是土木工程師們一直在尋找的。用CFRP 制成的布或薄板，貼于混凝土結(jié)構(gòu)的外表面，其加固效果十分理想，不僅可大大提高受彎、受剪或受扭以及受壓承載力，而且能減少裂縫寬度，甚至可增加剛度。同時，CFRP 索是鋼質(zhì)土層錨桿、巖石錨桿的優(yōu)質(zhì)代用品，它不受酸堿介質(zhì)的侵蝕，使用期間不會發(fā)生更換之類的事故。此外，還應(yīng)提及，如果將CFRP 索代替鋼索，去建造懸索橋，則會出現(xiàn)這樣的情況：用鋼索建造時，只能跨越1000m，而用CFRP 索，可跨越2000m。因為懸索橋上懸索的自重在總荷載中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，而CFRP 的比重只有鋼索的1/ 5 。

三、CFRP在土木工程中的應(yīng)用情況

如上所述，碳纖維及CFRP在土木工程中應(yīng)用有多種形式；

碳纖維加入混凝土中，可大大提高混凝土結(jié)構(gòu)的多種性能；

CFRP 筋，可代替普通鋼筋，建造新的混凝土結(jié)構(gòu)；

CFRP 預(yù)應(yīng)力索、絞線，可取代鋼絞線；建成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或單獨使用于錨桿及懸索橋等結(jié)構(gòu)中；

CFRP 布、CFRP 薄板，可用于既有混凝土結(jié)構(gòu)工程的加固，

CFRP 技術(shù)是二戰(zhàn)之后出現(xiàn)的。我國在土木工程中應(yīng)用CFRP 材料的研究與制備，開始得較早，幾乎與國外同步。但因種種原因，發(fā)展較慢。只是最近五年，F(xiàn)RP 的研究和應(yīng)用有了較大的發(fā)展。

由上可見，盡管FRP 是一種性能優(yōu)良的、新的混凝土結(jié)構(gòu)的加強材料，但是，由于國內(nèi)外對它們的研究還較少，其應(yīng)用也不多。因此，很需要我們?nèi)ミM一步研究與開發(fā)。

四、對于FRP，土木工程師應(yīng)做些什么？

對于FRP - 一種新的結(jié)構(gòu)材料及產(chǎn)品，我們土木工程師應(yīng)做些什么？這是一個很值得研探的問題。我初步考慮，至少應(yīng)做三方面的工作：

1. 進一步研究FRP，包括研究：

(1) FRP 的力學(xué)和化學(xué)性能，減少它們的脆性，促進其合理應(yīng)用；

(2) FRP筋的配筋混凝土結(jié)構(gòu)性能,包括彎、剪、扭承載力，約束作用，延性及使用性;

(3) 研究FRP索的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能及錨固技術(shù)和工藝；

(4) 研究貼于混凝土結(jié)構(gòu)外表面加固后的受力性能，包括其承載力、延性、疲勞性能及界面特性等。

2 . 在研究的基礎(chǔ)上，一方面，組織編制FRP 的設(shè)計與施工規(guī)程，另一方面，積極開展工程應(yīng)用，不僅增加工程應(yīng)用數(shù)量，而且擴大工程應(yīng)用范圍。只有增加應(yīng)用量、擴大應(yīng)用面，才能促進FRP 價格的下跌，從而，又推動其工程應(yīng)用。

3. 促進FRP 的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化最后，應(yīng)強調(diào)：推廣應(yīng)用FRP，并不意味著鋼材地位的降低，因為鋼材不可能被完全替代。