FRP在混凝土結構和抗震中的應用與研究

1 在混凝土結構中的應用實例
  混凝土里的FRP螺桿。一般采用玻纖/環氧樹脂或玻纖/乙烯基酯樹脂,而美國加州RJD公司則采用玻纖/間苯型聚酯樹脂Amoco Chemical公司從精制間苯二酸(PIA)產物母體衍生的樹脂。與環氧、乙烯基酯螺桿相比,間苯樹脂螺桿的成本較低,耐腐蝕性和強度相當。與等直徑鋼螺桿相比,間苯螺桿的重量輕一半,拉伸強度更高、安裝(擰螺母)較容易。在5%鹽水浸泡的普通水泥混凝土構件中(呈堿性)10年后,間苯螺桿的強度保留率比乙烯基酯螺桿高50%以上。
  FRP增強混凝土水塔。美國Caonplas Technology公司推出用于混凝土的拉擠成型FRP增強筋,重量較鋼筋輕3/4,拉伸強度更大,不會被腐蝕。后來又推出由多根拉擠成型FRP條材編成的籠形FRP筋,以及FRP增強混凝土水塔。該水塔的增強工序是:沿塔體外表纏繞連續玻纖/聚酯樹脂,接著在塔高方向上每隔一段纏繞一圍籠形FRP筋。FRP筋在混凝土里的摩擦力大,既增強混凝土,又抱緊塔體。
2 在抗地震中應用實例
  美國加州Yolo County Coauseway高速公路橋的3480根高4.7m圓形混凝土橋墩的抗震處理,由CMI公司采用玻纖/間苯型聚酯樹脂手糊成寬760mm,長度略大于橋墩圓周長的預制FRP蒙皮,再用特殊粘結劑將FRP蒙皮糊在橋墩外表,縱向粘結縫互相錯開,達到設計厚度時捆緊,待粘結劑固化后再糊第2圈,一直糊遍整個橋墩。
  地震后的日本Sakawa大橋(東京西100km)8個30~60m、直徑7m的空心混凝土橋墩的加固,是在橋墩的混凝土與鋼鉸接部位手糊碳纖維/環氧樹脂(CFRP)蒙皮,總面積約50000m2。
  美國San Diego-based XXsys Technology公司研制成全自動沿立柱纏繞CFRP蒙皮技術及設備,如:計算機控制全自動Robo纏繞機、升降式固化系統等。蒙皮固化后噴耐紫外線膠衣。1997年該技術用于Seattle立交橋的6個混凝土橋墩。目前已簽訂了用該技術加固歷史悠久的Arroyo Seco大橋拱肩的合同(價值50萬美元)。1994年Northridge地震使洛杉機有4萬個建筑物被嚴重或部分破壞,也有待采用FRP技術加固。
  美國Allian Techsystems公司先纏繞直徑0.3m,長9.7mCFRP管,然后往管里澆鑄混凝土,取代原橋上的增強混凝土管(或梁)。CFRP管(蒙皮)起著高彈性框架作用,而混凝土芯(壓縮強度高)承受壓力。
  美軍在易震區有約19萬個建筑物的磚石基礎需要加固,在磚石砌墻表面糊FRP蒙皮,并用壓電方法檢測FRP蒙皮與砌墻界面的粘結性能。有FRP蒙皮的砌墻承載能力提高45%~94%。
3 研究動向與成果
  目前美國許多州的科研所和Reichhlod Chemicals公司,都在進行FRP用于混凝土抗震的研究,其中氯離子腐蝕是增強混凝土的嚴重問題之一。而FRP筋在鹽漬環境里的耐用性好,潛力大,Reichhola等公司正在進行FRP筋在基礎中應用課題的研究。
  美國佛羅里達大學的研究者認為,跟同規格的含5%鋼筋混凝土構件相比,FRP蒙皮混凝土構件的強度較高。加拿大Sherbrook大學認為:混凝土柱加E玻纖/環氧樹脂蒙皮后,軸向承載能力提高45%。賓夕伐尼亞大學的研究者認為:混凝土構件加單面(或雙面)碳纖維/環氧預浸料蒙皮,可大大提高大應變。
  英國建筑研究院與Southampton大學正制訂FRP/混凝土結構的設計指南。日本專家認為:對于界面粘結性能,3點彎曲試驗優于傳統的撕裂試驗。
  在美國,基礎設施的有效使用期為35~75年,而FRP僅5~15年,這是矛盾的。如何提高FRP的有效使用期是今后的重要課題之一。致使FRP使用期短的因素很多,如:增強纖維與粘結劑界面粘結性差,增強纖維不能被絕對保護;水的浸蝕;既處于堿環境又承受應力等。FRP/混凝土梁在堿性環境加速老化的研究表明:混凝土梁(堿性環境)里的FRP筋,若干年后的大拉伸強度和大應變下降50%~70%。