混凝土结构对新材料的挑战

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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情况，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。

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：

1、抗腐蚀能力强，即耐久性好；

2、 自重小，且具有很高的材料抗拉强度，即质强比高；

3、 弹性变形能力和抗疲劳能力强， 但GFRP筋的较钢筋低；

4、 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)*

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，F RP 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情况

如上所述，碳纤维及CFRP在土木工程中应用有多种形式；

碳纤维加入混凝土中，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。 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。