探析纤维增强塑料在土木工程中的应用.doc

1、探析纤维增强塑料在土木工程中的应用摘要：本文介绍了纤维增强塑料的物理力学性能，通过例证描述了纤维增强塑料在土木工程中的应用，对这种新型高强材料在土木工程中的应用研究有一定参考价值。 关键词：纤维增强塑料；力学性能；土木工程；应用 中图分类号：O3 文献标识码： A 文章编号： 1 纤维增强塑料一般的物理力学性能 纤维增强塑料是各向异性材料。成分的不同物理性能差别可能很大，例如纤维的方向，当纤维方向与复合体受力方向一致时，增强效果最佳;反之，当纤维方向与复合体受力方向垂直时，增强效果最小。纤维增强塑料与许多材料一样，其力学性能与受载时间、受载情况、温度和湿度等因素紧密相关。 纤维增强塑料的密度都

2、比较小，例如，钢材的密度是 7850KG/ m3，纤维增强聚合物筋材料密度是钢材密度的 1/7 一 1/5，在相同直径下纤维增强聚合物筋质量大大低于钢筋，故其混凝土结构比钢筋混凝土结构的自重轻，需求量相同的情况下，纤维增强聚合物筋相比钢材运输成本低。纤维增强塑料是脆性材料，其抗拉强度很高，应力应变关系是线性关系，在破坏前无任何实质性的屈服变形。以纤维增强聚合物筋为例，纤维增强聚合物筋具有较高的比强度，能够降低地震作用，施工强度降低，节约人力成本。 纤维的种类、含量和树脂种类等不同，会影响纤维增强聚合物筋的纵、横向热膨胀系数;纵向热膨胀系数一般受纤维控制，横向热膨胀系数由树脂基体控制，通常横向热

3、膨胀系数比纵向热膨胀系数大。纤维增强聚合物筋混凝土构件是一种复合构件，在二者协同工作时，由于两种材料在热应力下的性能相近，所以混凝土和纤维增强聚合物筋的产生的变形差较小。即当环境温度发生变化时，产生的温度应力不会破坏纤维增强聚合物筋与混凝土的粘结，保证纤维增强聚合物筋混凝土构件的安全性。 纤维增强塑料的基体材料可以是热固性树脂或热塑性树脂。两者的区别在于热固性树脂的分子结构在受热时会分解，因此这种树脂制成的纤维增强塑料是一次成型不能弯曲。而用热塑性树脂制成的纤维增强塑料可以使用加热、催化剂、加压等方式来弯曲。基于树脂基体的可塑性，纤维增强塑料制作成布状，此产品应用于砌体结构的修复。 纤维增强塑

4、料的抗拉强度与纤维的种类有关，一般地抗拉强度、抗压强度都很高，相对的抗拉强度高于抗压强度。例如玻璃纤维增强聚合筋的抗拉强度是在 550MPa 到 896MPa 之间，而其抗压强度却是在 317MPa到 470MPa 之间。但是芳纶纤维增强聚合筋的抗拉强度高抗压强度都高，在受到相对较低的应力下呈现类似屈服的特性。因为抗拉强度高，在工程结构中，增强纤维材料一般用于受弯构件的受拉区内作为受拉筋，有时在潮湿环境中，也加固受到腐蚀的混凝土结构。 2 纤维增强塑料在国内外土木工程中的应用现状 2.1 纤维增强塑料在桥梁工程中的应用情况 由美国州政府修的 DELDOTI 一 351 桥是第一座全复合材料桥。

5、DELDOTI 一 351 桥的总质量只是水泥桥的 1/10。这座桥梁是根据当时美国国家高速公路的技术条件设计的，施工完成后由美国德勒华大学对其进行承载力、强度等全面方面的测试，测试结果表明其完全符合使用要求，这座复合材料桥梁的建成确定了复合材料在桥梁结构设计应用上的地位。 日本是研究纤维增强塑料比较早的国家。日本的飞翔桥是世界上第一座采用碳纤维增强聚合物筋作为张拉材料的预应力混凝土桥梁，该桥全长 1llm，净跨 75m。此桥的顺利建成证明了预应力碳纤维增强聚合物筋取代钢筋建造大跨度桥梁是可己实现，但在施工时一定要严格遵守结构设计，保质保量的完成施工。 2.2 纤维增强塑料在岩土加固工程中的应

6、用情况 山体与边坡滑移是地质灾害防治工程中最常见的问题，最有效的治理办法就是采用预应力锚固支护技术。在岩土工程中，常大量采用像高强钢铰线这样抗拉强度较高的钢材作为锚杆进行岩土锚固。但是在很多实际工程中表明，钢筋的锈蚀经常造成锚固工程的失效破坏，甚至严重时会造成人员伤害之类的安全事故。利用纤维增强聚合物筋的特性，用预应力纤维增强聚合筋取代预应力钢绞线锚杆就可消除因钢筋锈蚀带来的安全隐患。上世纪 90 年代，国外开始尝试使用纤维增强聚合物筋这种非金属锚杆来替代传统的钢锚杆。 纤维增强聚合物筋在恶劣的地质条件下具有良好的抗腐蚀性能，其锚杆产品不需防腐保护。由于具有抗拉强度高、低抗剪强度(低于其抗拉强

7、度的 10%） ，在施工时容易被剪断，易于施工所以现广泛用纤维增强聚合物筋制作锚杆代替钢锚杆，构件不但结构简单而且重量轻。目前，纤维增强聚合物筋锚杆现在越来越多地用于土钉墙、地铁工程盾构法掘进混凝土墙及临时基坑支护的锚杆等岩土工程中。 纤维增强聚合物筋的应用尤其是在岩土工程中的应用对今后其他地下工程的开发有着深远的意义，我国己经在地铁建设中采用了纤维增强聚合物筋，其充分发挥了高抗拉强度的优势，如深圳的地铁工程就采用了美国生产的碳纤维增强聚合物筋。从目前的使用情况来看，碳纤维增强聚合物筋完全能满足使用、安全的要求。 2.3 纤维增强塑料在寒冷、非导电等特殊要求的工程中的应用情况 1）纤维增强塑料

8、在非磁性、导电结构工程中的应用 目前很难实现在非磁性和非导电结构中使用钢筋，因为在这种结构中采用钢筋的前提就是要保证每根钢筋都彼此不导电，以现阶段的设计水平很难达到这个要求。但纤维增强聚合物筋有良好的电绝缘性和非磁性，利用这个优点可以很好地解决绝缘这个问题。尤其是在军事上，纤维增强聚合物筋可以作为机场和军用设施中防雷达干扰装置的理想材料，也可以用在一些需要防止电磁干扰的敏感军用设备里。在核磁共振成像上，纤维增强聚合物筋己经成为医疗单位磁共振成像设备的指定材料。 2）纤维增强塑料在寒冷、潮湿环境下工程中的应用 在寒冷环境下，材料性能的发挥会受到很大影响，导致建设周期过长，在人力、物力等方面的费用

9、也很昂贵。像钢筋混凝土这样的设施建成后也会面临一笔很大的维护费用，一般地对于在此类地区拟建的基础项目，特别是公路与铁路等交通项目，都需面对在保证工程质量前提下，如何缩短建设周期、减少维护费用等技术问题。为了达到延长基础设施使用年限的目的，有些工程项目已经开始尝试做成不需维护的纤维增强聚合物筋混凝土结构来代替钢筋混凝土结构。 3）纤维增强塑料在空间结构工程中的应用 网架或网壳等结构中采用轻质高强、耐腐蚀的材料已经成为一种趋势。英国建造了几处网架结构，有的是尝试性地用玻璃纤维增强聚合物杆件代替部分钢构，有的是使用玻璃纤维增强聚合板作为受力或部分受力构件，但是由于玻璃纤维增强聚合物本身材料的限制，如

10、弹性模量低、节点难处理等因素，导致复合材料在网格结构中的优势不能体现，所以在此结构应用方面发展缓慢。 随着生产技术的成熟，设计方案的优化，日本开发研制成功一种带有铝合金接头碳纤维增强聚合卷管。用于网架的碳纤维增强聚合杆件是由碳纤维增强聚合片材以不同的角度层叠粘贴而成。建造完成后，通过对比发现碳纤维增强聚合网架结构重量仅为钢网架的 1/51/4，相比钢网架维护费用低，维护费用是钢网架的 1/5。现在采用纤维增强聚合薄板条的新型大跨空间结构体系，利用纤维增强塑料增强结构的整体性，使整个结构具备足够的几何刚度。因为采用类似编竹席编织方法使纤维增强塑料的抗拉强度得到发挥，而且可以获得特殊的建筑效果，是一种高效的结构体系。 参考文献： 1薛伟辰,康清梁,纤维塑料筋在混凝土结构中的应用J.工业建筑,1999,29(2):19 一 21. 2高丹盈,赵军,B.Brahim.玻璃纤维聚合物筋混凝土梁裂缝和挠度的特点及计算方法J.水利学报,2001:50 一 58. 3高丹盈,B.Brahim.纤维聚合物筋混凝土梁正截面承载力的计算方法J.水利学报,2001:71 一 80. 4于爱民.纤维增强聚合物筋耐久性试验研究D.郑州大学硕士学位论文,2011 5谢晶晶.纤维增强聚合筋锚杆锚固机理及设计方法的研究.郑州大学硕士学位论文,2002,74 一 76.