FRP 材料在土木工程中的运用分析

2023-04-05 02:34俞淙水
科海故事博览 2023年7期
关键词:构件钢筋混凝土

俞淙水

(重庆外语外事学院,重庆 401120)

FRP 材料是一种具有代表性的新型建材,在多种建设项目中拥有较高的应用价值和广阔的发展前景。FRP 材料在实际应用中相比于传统材料能够发挥强度高、刚性大、抗腐蚀性强、密度低等特性,在土木工程行业中可作为优质新型材料,促使工程整体建筑质量提高。

因此,相关施工人员应当充分把握对FRP 材料的合理运用,保证工程建设实效增强。

1 FRP 材料概述

1.1 FRP 材料概念

FRP 材料是指纤维增强复合材料,其主要是由两种或两种以上不同物质,通过科学合理的材料设计方法或人工合成方式等,使其形成具备优越性能的多相固体材料。通常情况下,将结构用复合材料的基本组成成分分为基体材料、增强材料。将高强度的玻璃纤维以及树脂基体进行有效复合,促使其具备相对良好的功能性和结构性的新型复合材料,即FRP 材料[1]。其起初被应用在军事武器装备方面,随后在时代不断发展过程中,逐渐在多个领域得到应用,目前在土木工程行业内,对FRP 材料的运用备受关注。

1.2 FRP 材料特点

FRP 材料具有较为明显的特点,强度高且比模量大、可设计性好、抗腐蚀性与耐久性能良好、热膨胀系数优越。基于这些特点促使FRP 材料在现代土木工程结构中得到较好的运用效果,能够满足未来大跨度、轻质、高强度、重载等土木工程结构发展需求。因此FRP 材料在土木工程中能够有效地替代部分或者补充传统建材,提高建设效率。

2 FRP 材料在土木工程中的运用优势

在现代土木工程中,FRP 材料投入使用后,能够发挥诸多优势,其具体如下。

1.可设计性。将FRP 材料作为土木工程结构材料,能够发挥基体材料与增强材料的组合优势,在应用过程中既可保留原组分材料的部分特点,还能够形成新的材料特性,符合结构设计要求,发挥单一材料满足土木工程结构性能的优势。

2.比强度及比刚度大。结合当前普遍应用的FRP材料,如碳纤维及环氧材料等,其实际比强度相比于铝材可高出近6 倍、相比于钢材高出5 倍,比刚度则能够达到铝材4 倍以上,因此在土木工程中使用FRP材料,有利于缩短建设周期,降低施工复杂性。

3.抗疲劳性强。对于金属材料来说,其疲劳强度一般在拉伸强度的45%。而FRP 材料在土木工程中的运用,疲劳强度可达到自身拉伸强度的75%,可有效抵抗疲劳效应。

4.抗化学反应以及腐蚀能力强。在土木工程中如运用传统的钢筋建材,为保障良好的施工效果,必须要做好耐腐蚀处理,特别是在潮湿环境下,钢筋材料很容易与湿度较大的空气相接触,进而出现腐蚀问题,难以发挥其功能。而FRP 材料大多是采用电绝缘材料制成,施工后的构件往往具备较好的耐酸、耐碱、耐盐侵蚀等性能,保障土木工程结构安全、稳定[2]。

5.优越的抗震性能。FRP 材料自身具有较高的自振频率,与传统建材相比较,在土木工程结构中通常不会发生共振问题,有助于避免或减少出现土木工程结构快速脆断的现象。同时FRP 材料存在大量界面,能够表现出很强的振动阻尼性,如果激起振动,能够在较短的时间内使其衰减,保证结构整体稳定性。

6.过载安全。由于FRP 材料内含有大量独立的纤维,当出现过载时,仅会出现少量的纤维断裂,将所承受的载荷快速分配到尚未被破坏的纤维中,能够避免土木工程构件发生瞬间丧失承载力的情况,有效规避结构构件断裂问题。

7.具有较好的美学观赏性。FRP 材料组分中的材料纤维大多具有较好的柔软特性,并且树脂材料可进行流动,所以在实际工程中运用FRP 材料时,能够解决传统建材形状受限的问题,并且可根据工程用途和特点,任意进行着色,促使结构型式与材料美学之间达成和谐统一的关系。

8.具备智能化优势。FRP材料在土木工程中的运用,可发挥智能纤维材料优势,促使工程结构呈现智能化特征。比如利用热电控制技术制作梁构件,其能够像人体肌肉纤维一般,呈现多种形状和张力变化,有利于根据建筑物受到的震动情况,合理改变梁固有的刚性和振动频率,有利于减小振幅,保证框架结构使用寿命尽可能延长,同时还能够起到隔绝噪声的作用[3]。

3 FRP 材料在土木工程中的具体运用

3.1 应用加固FRP 材料

综合考虑FRP 材料是由纤维材料混合而成,在强度方面具有相对较大的优势,因此在土木工程加固施工中可得到良好运用,有利于提升工程结构的整体质量和安全性。目前结合土木工程建设实际,FRP 材料主要运用在混凝土材料、钢架结构以及土石结构中,比如在制备混凝土材料时,使用FRP 材料能够达到较好的脚骨效果,通过FRP 材料缠绕有利于提升混凝土的稳定性,促使承载力进一步提升。同时也可将该新型材料运用到梁、板等位置,有助于提升混凝土结构的抗弯曲能力,进而避免受到外力作用而导致裂缝问题。除此之外,由于FRP 材料具有较强的抗腐蚀性,在钢筋工程中能够有效保护工程构件,促使其抗腐蚀能力得到进一步增强,有助于防范后期出现质量问题或成本增加等。在具体的土木工程加固施工中,对FRP 材料的运用要点主要有以下几个方面。

首先,应用在梁体加固层面。针对梁体的加固主要是借助环氧树脂材料,在待加固的梁外部粘贴钢板,能够有效增加梁自身的弯曲强度,并且该项施工操作较为简便[4]。

其次,应用在柱体加固方面。FRP 材料在土木工程结构表面能够发挥其缠绕性能,以此对柱体结构产生封闭式的包裹覆盖作用,有利于形成有效的保护层,进而实现加固效果。在具体施工过程中,如果柱体形状为非常规的圆柱体形状,则要求施工人员先对柱体表面开展相应的处理工作。

再次,应用在混凝土板加固方面。利用FRP 材料对混凝土板实施补强加固作业时,必须保障FRP 材料的应用策略与梁的方法相一致。同时要将FRP 材料有效粘贴或者嵌入混凝土板体结构的受拉位置,有利于起到良好的保护作用,防范混凝土板出现损坏以及破裂等情况。

最后,应用在节点加固层面。在土木工程施工过程中,对于节点实施加固是至关重要的,其作为结构中不同构建的连接部位,必须保障其具有较好的安全性,以此提高土木工程的整体使用性能和安全性。通过应用FRP 材料则能够促使节点部位的延展性得到提升,保障其承载力极限值可显著提高,充分确保土木工程的安全性和稳定性进一步增强。

3.2 应用FRP 筋

根据FRP 材料的特性,其具有高强轻质、工艺简单、耐腐蚀性强、电磁绝缘性良好等特性,因此制备FRP 筋可作为一种新型材料,充分发挥其性能优势,提升土木工程质量。比如在当前阶段的土木工程中,对于FRP 筋的运用主要体现在混凝土结构、盾构技术以及边坡加固等方面,相比于普通钢筋材料,FRP 筋能够表现出更为优越的功能性,可作为钢筋或者钢索的替代材料。在具体应用环节,其要点如下。

1.盾构技术中应用FRP 筋。在地铁车站等土木工程中,FRP 筋的应用能够发挥耐久性好、易切割、强度高等优势,即利用FRP 筋取代普通钢筋,有利于形成钢筋混凝土维护结构,有助于满足结构施工要求,确保盾构机能够顺利推进施工作业。同时运用FRP 筋可有效减少盾构机钻进过程中,维护结构对盾构机刀片所产生的损伤,有助于大幅节省成本,并可缩短施工周期。

2.边坡加固中应用FRP 筋。有FRP 材料具备相对较强的耐久性和耐腐蚀性,在土木工程中运用FRP 筋,能够有效替代钢筋实现边坡加固。以某路段工程为例,道路右侧上方的边坡高度约在30m 左右,其坡度较为陡峭,经过勘察,该区域地层岩性为泥质粉砂岩,具有强度低、易风化等特点。为充分保障施工安全,在加固施工过程中采用多层FRP 筋锚杆,有效促使边坡的稳定性大幅提高,保证土木工程质量。

3.混凝土结构中应用FRP 筋。对于FRP 筋在土木工程混凝土结构中的运用,通常适用于特定的条件,一般情况下,在冻融地区、高盐碱地区对FRP 筋有较好的应用效果,其能够比较显著地避免出现腐蚀问题,防范对土木工程结构产生严重损害,有助于在工程后期减少维护成本,保证结构使用期限得到延长,确保混凝土结构施工质量稳定。

3.3 应用FRP 材料组合结构

在现代土木工程实践中对于FRP 材料的运用,越来越注重组合结构形式,以此进一步提升材料性能,有效融合不同组合类型的特点,充分实现优势互补,进而构建全新的结构体系。在具体工程项目中,对于FRP 材料组合结构的应用要点如下。

1.FRP 管混凝土。通过利用填充的方式制备符合土木工程建设要求的结构组件,有助于提升对混凝土起到较好的约束性,保障施工效率和质量得到提高。在施工作业环节,对FRP 管混凝土的运用,则是在相应的管中填充混凝土,进而提升结构的负载能力和稳定性,有效降低自身重量,使其具有较强的耐用性。目前阶段在土木工程施工中,对于FRP 管混凝土的应用范围较为广泛,在未来发展前景广阔。

2.FRP 钢管混凝土组合构件。其是指在整体的土木工程结构中,合理安装空心钢管,然后再进行混凝土填充作业,能够充分对钢筋材料起到较好的保护效果。同时也能够对混凝土产生一定的约束作用,切实提升土木工程结构的抗变形能力、承载力,进一步保证工程施工质量符合建设要求。

3.FRP 混凝土组合梁。在实际土木工程施工中,可借助混凝土施加压力,有利于实现结构组合的目的,能够充分展现FRP 材料的应用优势。因此在土木工程的永久性模板中合理运用FRP 组合梁,能够在很大程度上满足工程后期的施工质量要求。

4.CFEP 铝合金组合构件。在土木工程中可运用新型的铝合金组合构件,即将FRP 材料设置在构件的外表面,可有效提升构件的耐腐蚀性,进而解决FRP 材料现存的脆性较大等问题,并能够提升土木工程结构构件的耐腐蚀性,保证各个构件能够有效连接。

5.FRP 木组合构件。为有效满足现代土木工程施工要求,可将FRP 材料与木材进行有机结合,能够促使工程结构转变受力特点,并增强木制材料的抗火能力。在具体实践中应用FRP 木组合构件,还能够比较显著的提升结构的力学性能,有效对负载压力进行缓解,促使整体工程成本支出有效降低。

4 FRP 材料在土木工程中的发展展望

近年来,FRP 在土木工程中的应用研究已经成为土木工程领域的热门学科,并对相关技术研发以及推广重视程度日益提升。特别是在当前社会经济逐渐趋向高质量的背景下,对土木工程质量有更高的要求,由此对FRP 材料的应用实践也将越来越普遍,在未来市场中具有广阔的发展潜力和空间。基于此,在未来发展阶段,土木工程将持续加大对FRP 等新型材料的运用力度,将其作为传统建材的重要补充。同时,由于我国是现阶段国际上土木工程行业FRP 使用量最大的国家,因此还需结合具体的土木工程建设情况,深入研究和开发更多的新型FRP 复合材料,进而满足现代土木工程技术要求,积极拓展现代复合材料应用市场。综合国内建设行业对FRP 材料的理解,主要集中在对既有结构的加固和简单的应用层面,所以在未来一段时间内,针对FRP 材料的研究,将注重对低成本FRP 钢筋材料的研发和批量生产,充分发挥FRP 材料的耐久性、抗震性、火容性等优势,切实提高土木工程的社会效益和经济效益。另外,随着我国重大基础设施建设以及各行业建筑物建设活动频繁开展,对结构安全性和使用寿命的需求逐渐增加,相关材料科学及工程技术人员等,应当在未来注重对FRP 材料的研发和改进,以此形成发展势头强劲、市场容量巨大的新兴产业,促进土木工程材料创新发展。

5 结语

综上所述,随着现阶段土木工程行业的高速发展,大量先进技术与材料得到良好应用,进一步提升工程建设质量。FRP 材料是一种具有高耐腐、高强度、轻质的新型建材,在土木工程施工中合理应用可发挥诸多优势,保证工程建设水平和效率大幅提高,并能够确保施工过程的安全性,减少成本投入。因此,在具体工程实践中,相关人员应当充分把握对FRP 材料的应用要点,及时注重采用FRP 材料对工程进行加固,有效运用FRP 筋对盾构施工、边坡加固以及混凝土结构优化施工提供良好的支持,同时通过FRP 材料组合结构强化工程整体安全性和稳定性,切实推动土木工程可持续发展。

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