FRP筋海水海砂混凝土的性能和应用研究

徐钊

深圳市同济人建筑设计有限公司 518000

摘要：综述了国内外对FRP筋（Fiber Reinforced Polymer Bar，纤维增强复合材料筋）、海砂混凝土、FRP 筋海砂混凝土的应用及研究成果，简述一种新型FRP筋骨架和新型FRP海砂混凝土组合结构，并对 FRP 筋海砂混凝土结构尚需研究的问题进行了归纳，以便FRP筋海砂混凝土结构的研究和推广应用。

关键词：FRP筋；海砂；混凝土；应用

引言

随着经济的发展，工程建设量不断增加，混凝土作为我国工程建设中最常用的材料之一，它的用量也持续增加。目前用于配置混凝土的建筑砂主要取自陆地的河床和山体，长期以来大量开采导致河砂资源日益匮乏，已经给河床及周边生态环境带来了很大的影响，特别是在工程建设发展速度较快的沿海地区，建筑用砂已经出现了严重短缺，河砂的价格不断上涨且供应量不能得到保障。

在研究如何解决这个问题时，工程技术人员和研究者将目光转向了海洋，海砂资源储量大，海运成本低，在沿海地区合理开采应用海砂能降低建筑材料成本、保障建设工期、减轻对环境的破坏。为了从根本上避免锈蚀的问题，材料替换方法被认为是最有效的技术途径。应用FRP与海砂混凝土组合替代钢材和普通混凝土，可从根本上避免锈蚀，还可直接使用未经淡化处理的海砂、海水，节约淡水资源。

1海砂混凝土的研究

1.1海砂及海砂混凝土的特点

海砂是指出产于海洋和入海口附近的砂，包括滩砂、海底砂和入海口附近的砂：海砂混凝土(SeaSad Concrete)指细骨料全部或部分采用海砂的混凝土。相比于河砂，海砂的优势突出在以下三方面：

（1）资源丰富，分布广泛。《中国海砂资源潜力评价》和《CCOP海砂资源数字编图》项目对我国近海地质资料进行分析，指出中国海砂主要来自于海岸带、大陆架和近岸浅海三个堆积体系，其海砂的估算资源量分别为35.88～53.82亿立方米、66.95～84.27亿立方米、66.95～84.27亿立方米，广东海砂资源十分丰富，主要分布在虎门浅滩一沙仔岛海砂、深圳湾北侧浅滩砂砾、横洲一金星门湾砂砾、台山广海石英砂和湛江乾塘石英砂、粤西冲砂堤海砂，预测海砂总储量超过12.5亿立方米。

（2）分选好，品质优良，含泥量少，细度模数均匀，颗粒分布合理，压碎指标小。

（3）运输方便，开采影响小。一般情况下，河砂开采后会采用公路和河运进行运输，而海砂开采后则一般采用海运，相比之下海运成本更低，更为便利。并且海砂存贮量巨大，开采难度低，对周围环境影响可以忽略。

1.2海砂混凝土应用

国内外不乏海砂成功应用的经验，主要应用领域为建筑工程及道路工程。在建筑工程中，例如，日本采取高效合理的开发管理模式，在充分保护开采区生态环境的前提下，实现了对海砂资源行之有效地开发利用，开采质量有保证；而荷兰鹿特丹港和Western Schildt机场的扩建项目则成功利用了大量海砂作为结构中非受力构件的建筑用砂。我国援建的加蓬参议院大厦为邻海建筑，结构易受海风及盐雾的侵蚀，当地河砂资源缺乏，但海砂资源却十分丰富，通过采取合理的工艺和技术措施，强化建筑钢筋混凝土结构抗侵蚀的能力，成功地开发利用了当地海砂。在道路工程中，海砂的应用更为广泛，广东茂名市的进港公路在附近软基加固处理方面采用了海滩边上防风林带处堆积的海砂，提高了海砂垫层的承载能力。

2 FRP筋研究

FRP筋是由多股连续纤维通过基底树脂材料浸渍后，再经过特制的模具挤压和拉拔成型的材料。FRP筋又分玻璃纤维增强塑料筋(GFRP)、碳纤维增强塑料筋(CFRP)、芳纶纤维增强塑料筋(AFRP)以及玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP)等。

国外FRP筋混凝土的研究起步于20世纪七八十年代，国内的研究近十几年才开始，其研究主要集中在FRP筋的种类、受力性能以及耐久性等方面。

2.1 FRP筋优点

（1）抗腐蚀性能优异：在温度60℃左右、pH值为l～2的酸性环境中，FRP筋抗拉能力降低程度仅约为钢筋的l/3。

（2）抗拉强度高：CFRP筋的抗拉强度约为钢筋的10倍，GFRP筋和BFRP筋的抗拉强度约为钢筋的5倍。

（3）密度小：CFRP筋、GFRP筋和BFRP筋的密度仅为钢筋的1/6～1/4，有利于减轻结构自重。

（4）热胀系数与混凝土接近：FRP筋的热胀系数约为(0.8～1.2)xl0-5，与混凝土接近，FRP筋与混凝土的粘结不会在环境温度变化的情况下，因温度应力而破坏，保证了两者之间的协同工作。

2.2 FRP筋应用现状

CFRP筋抗拉强度和弹性模量高，耐各种腐蚀性能好，但目前主要依赖进口、价格较高，主要应用于结构加固；GFRP筋抗拉强度和弹性模量较低，但价格便宜，被广泛应用于非受力构件中；玄武岩纤维抗拉强度和弹性模量适中，且国内具有自主知识产权，是国家十二五规划重点发展新材料。

3 FRP筋海砂混凝土研究现状

3.1 FRP

筋混凝土的应用研究

FRP筋自问世以来，在航空、船舶、汽车、化工、机械等工业领域得到了广泛应用，近年来也作为一种新型受力筋材在土木工程中应用。近二十年，国内外学者一直在不断进行FRP筋混凝土各种性能研究，取得了相当好的研究成果，包括FRP筋材料试验研究，探明这种筋材的抗拉强度、弹性模量和极限应变等材料力学性能属性；进行FRP筋混凝土结构构件的受力性能试验，总结构件破坏形态，明确FRP筋混凝土材料受弯和受剪性能，提出相关承载力、挠度和裂缝计算公式等。基于这些研究基础，FRP筋及FRP混凝土材料能够逐步应用于实际工程当中。

Zhiqiang Dong做了FRP筋海水海砂混凝土梁的耐久性试验，试验结果表明，BFRP筋模拟海砂海水梁在裂缝形成过程中的荷载波动增大。在50C海水浸泡6个月以后，BFRP筋梁的破坏模式由混凝土破碎变为剪切破坏，BFRP筋箍筋对抗剪能力的贡献明显降低。SFCB梁暴露后，由于SFCB抗拉强度的降低，其破坏模式由混凝土破碎转变为SFCB断裂，导致荷载能力最大降低11%。两种梁弯曲试验后的裂缝在环境暴露后均变得稀疏。

6. Guo[6]研究了FRP在模拟海水海砂混凝土中的耐久性，发现CFRP对模拟海水海砂环境的耐久性最好，其次是GFRP和BFRP。

Zike Wang[7]研究了持续荷载和海水海砂混凝土环境对B/GFRP筋耐久性的影响，发现，环境持续应力和环境温度的共同作用对BFRP和GFRP筋的抗拉强度保持有显著影响，而杨氏模量保持不变。

3.2 FRP筋混凝土应用领域[8]

（1）建筑及加固工程应用：高速公路、地震台、房屋建筑、桥梁、煤矿隧道等建筑加固工程；矿山、隧道、道路边坡支护锚固工程等。

（2）桥梁和道路工程应用：在较冷的地方，桥梁和道路的钢筋饱受除冰盐的氯离子腐蚀等耐久性问题的困扰，使用FRP筋，可大大减少腐蚀问题，降低维修成本，同时FRP筋替代钢筋用于桥面铺装，既减轻桥梁的自重，又提高了拉伸强度。在近海地带，钢筋易受到从海洋刮来的湿风中海盐粒子的腐蚀而发生明显的早期劣化，可使用FRP筋代替腐蚀的钢筋来修复。

（3）低导电和非磁性应用：FRP筋是一种电绝缘体，并具有非磁性。在要求低导电或电磁中性的场合，往往要求更加复杂的建筑设计，但采用FRP筋仍能够很好地保证每一根受力筋材与周围钢材绝缘。

4结语

钢筋锈蚀问题一直是许多学者关心的问题，海洋结构和近海结构的锈蚀问题尤为突出，采用抗腐蚀性能良好的FRP筋海砂混凝土结构能很好地解决这一问题。但国内对FRP筋海砂混凝土结构的研究及应用还不成熟，仍有大量关于FRP筋海砂混凝土结构基本理论和设计方法的科研工作亟待进行。随着研究的深入与技术的发展，FRP筋海砂混凝土结构必将在结构工程中得到更广泛的应用。

参考文献

[1]冯鹏,王杰,张枭.FRP与海砂混凝土组合应用的发展与创新[J].玻璃钢/复合材料,2014,12：13-18.

[2]李树旺,李丽娟.FRP筋海砂混凝土应用研究进展[J].工业建筑,2013,43(增刊):120-124.

[3]秦斌.海水海砂混凝土基本力学性能研究[J].混凝土,2019,2:90-91.