FRP在混凝土结构和抗震中的应用与研究

1 在混凝土结构中的应用实例
  混凝土里的FRP螺杆。一般采用玻纤/环氧树脂或玻纤/乙烯基酯树脂,而美国加州RJD公司则采用玻纤/间苯型聚酯树脂Amoco Chemical公司从精制间苯二酸(PIA)产物母体衍生的树脂。与环氧、乙烯基酯螺杆相比,间苯树脂螺杆的成本较低,耐腐蚀性和强度相当。与等直径钢螺杆相比,间苯螺杆的重量轻一半,拉伸强度更高、安装(拧螺母)较容易。在5%盐水浸泡的普通水泥混凝土构件中(呈碱性)10年后,间苯螺杆的强度保留率比乙烯基酯螺杆高50%以上。
  FRP增强混凝土水塔。美国Caonplas Technology公司推出用于混凝土的拉挤成型FRP增强筋,重量较钢筋轻3/4,拉伸强度更大,不会被腐蚀。后来又推出由多根拉挤成型FRP条材编成的笼形FRP筋,以及FRP增强混凝土水塔。该水塔的增强工序是:沿塔体外表缠绕连续玻纤/聚酯树脂,接着在塔高方向上每隔一段缠绕一围笼形FRP筋。FRP筋在混凝土里的摩擦力大,既增强混凝土,又抱紧塔体。
2 在抗地震中应用实例
  美国加州Yolo County Coauseway高速公路桥的3480根高4.7m圆形混凝土桥墩的抗震处理,由CMI公司采用玻纤/间苯型聚酯树脂手糊成宽760mm,长度略大于桥墩圆周长的预制FRP蒙皮,再用特殊粘结剂将FRP蒙皮糊在桥墩外表,纵向粘结缝互相错开,达到设计厚度时捆紧,待粘结剂固化后再糊第2圈,一直糊遍整个桥墩。
  地震后的日本Sakawa大桥(东京西100km)8个30~60m、直径7m的空心混凝土桥墩的加固,是在桥墩的混凝土与钢铰接部位手糊碳纤维/环氧树脂(CFRP)蒙皮,总面积约50000m2。
  美国San Diego-based XXsys Technology公司研制成全自动沿立柱缠绕CFRP蒙皮技术及设备,如:计算机控制全自动Robo缠绕机、升降式固化系统等。蒙皮固化后喷耐紫外线胶衣。1997年该技术用于Seattle立交桥的6个混凝土桥墩。目前已签订了用该技术加固历史悠久的Arroyo Seco大桥拱肩的合同(价值50万美元)。1994年Northridge地震使洛杉机有4万个建筑物被严重或部分破坏,也有待采用FRP技术加固。
  美国Allian Techsystems公司先缠绕直径0.3m,长9.7mCFRP管,然后往管里浇铸混凝土,取代原桥上的增强混凝土管(或梁)。CFRP管(蒙皮)起着高弹性框架作用,而混凝土芯(压缩强度高)承受压力。
  美军在易震区有约19万个建筑物的砖石基础需要加固,在砖石砌墙表面糊FRP蒙皮,并用压电方法检测FRP蒙皮与砌墙界面的粘结性能。有FRP蒙皮的砌墙承载能力提高45%~94%。
3 研究动向与成果
  目前美国许多州的科研所和Reichhlod Chemicals公司,都在进行FRP用于混凝土抗震的研究,其中氯离子腐蚀是增强混凝土的严重问题之一。而FRP筋在盐渍环境里的耐用性好,潜力大,Reichhola等公司正在进行FRP筋在基础中应用课题的研究。
  美国佛罗里达大学的研究者认为,跟同规格的含5%钢筋混凝土构件相比,FRP蒙皮混凝土构件的强度较高。加拿大Sherbrook大学认为:混凝土柱加E玻纤/环氧树脂蒙皮后,轴向承载能力提高45%。宾夕伐尼亚大学的研究者认为:混凝土构件加单面(或双面)碳纤维/环氧预浸料蒙皮,可大大提高大应变。
  英国建筑研究院与Southampton大学正制订FRP/混凝土结构的设计指南。日本专家认为:对于界面粘结性能,3点弯曲试验优于传统的撕裂试验。
  在美国,基础设施的有效使用期为35~75年,而FRP仅5~15年,这是矛盾的。如何提高FRP的有效使用期是今后的重要课题之一。致使FRP使用期短的因素很多,如:增强纤维与粘结剂界面粘结性差,增强纤维不能被绝对保护;水的浸蚀;既处于碱环境又承受应力等。FRP/混凝土梁在碱性环境加速老化的研究表明:混凝土梁(碱性环境)里的FRP筋,若干年后的大拉伸强度和大应变下降50%~70%。