GFRP管混凝土的材料性能研究

侯军强

(涿州市交通运输局)

1 GFRP的性能

在FRP复合材料中，最常用的增强材料是碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。玻璃纤维 GFRP(Glass fiber reinforced plastic)应用最广。GFRP是用玻璃纤维增强的塑料，即我们平常所说的“玻璃钢”。

复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态的组合，通过复合手段形成的一种多相材料。由基体相、增强相和界面相组成。FRP(Fiber reinforced plastic)即纤维增强塑料，是目前技术比较成熟且应用最广泛的一种复合材料。它是由短切的或连续的纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体复合而成。其中，纤维为增强材料，它均匀地分散在基体之中，使基体材料的强度增长，起着最主要的承载作用;而基体材料的作用是把纤维粘结成一个整体，保持纤维间的相对位置，使纤维能协同作用，并保证纤维免受化学腐蚀和机械受损，减小环境的不利影响。同时，它还可以传递和承受剪应力，在垂直纤维方向承受拉、压受力。

1.1 玻璃纤维

玻璃纤维是纤维增强材料中用的最普遍的一种。它是由熔化的玻璃液以极快的速度拉成细丝。其截面呈圆形，根据需要可制成连续纤维或短纤维(0.6～60 mm)。也可用玻璃纤维织成平纹、斜纹、单向布，供不同用途的需要。玻璃纤维的最大特点是强度高、耐高温、耐腐蚀、隔热性能好，但质脆、易折断，延伸率小。

一般玻璃很脆，强度低，但拉成细丝后其抗拉强度比高强钢材还高出两倍。纤维愈细，强度愈高。这是由于玻璃纤维的强度在很大程度上取决于纤维的表面状态，即与纤维表面裂纹等缺陷的大小、数量有关。与块状玻璃或粗纤维相比，细纤维表面缺陷减小，因此纤维愈细，强度愈高。

化学成分对纤维性能影响很大。普遍规律是，玻璃纤维含碱量(Na2O、K2O)愈高，强度愈低。这是因为纤维表面缺陷随含碱量的增加而增多。玻璃纤维的主要成分是Si2O，其次是各种金属氧化物。其中，E玻璃纤维强度高、延伸率大且成本低，是土木工程界使用最早用量最大的玻璃纤维。另外，由于玻璃纤维价格便宜，强度较高，工艺成熟等特点，比较适合我国国情。

E玻璃的物理力学性能为:拉伸强度为3 400 MPa，拉伸弹性模量为71 000MPa，延伸率为3.37%，密度为2.55 t/m3。

1.2 树脂

GFRP的基体一般采用不饱和聚酯树脂和环氧树脂。其中环氧树脂是最好的基体材料。它具有很多优点:粘结力大、工艺简单、固化后收缩小，硬度、强度和模量也比较高，但由于其价格贵、粘稠度大等原因，目前仍不是作为基体的首选材料。

2 GFRP管混凝土与钢筋混凝土的力学性能

钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年以上的历史。由于它优越的力学性能，一开始就受到欧美各国工程师的重视。随着泵送混凝土工艺的发展，钢管混凝土又悄然兴起。目前钢管混凝土的理论和应用已相当成熟，而GFRP管混凝土则还是一种新兴的组合结构。但是两种结构有许多相似性，所以GFRP管混凝土的研究可以借助钢管混凝土的成功经验。

2.1 钢管混凝土的力学性能

高强混凝土与钢管共同承压是一种完美的组合。钢管为混凝土提供了强有力的侧限，约束了它的横向变形，使它由单向受力变成三向受力;管内的混凝土又为钢管提供强有力的内部支撑，避免了钢管的局部翘曲，两者互相利用，互相支持，使这种组合结构承载力得以提高，延性得以改善。

钢管混凝土在工程中得到广泛应用，其原因有以下点。(1)钢管本身就是模板，浇筑混凝土省去了支撑模板之役;(2)钢管本身就是钢筋，它兼有纵向受力筋和横向箍筋的双重功能;(3)钢管对核心混凝土的套箍作用，能有效地克服高强混凝土的脆性;(4)核心混凝土对钢筋提供了有效地内部支撑，避免了钢管的屈曲。

钢管混凝土受压时，核心混凝土的受力特点是:侧向压力是被动的，且随纵向压力的增大而增大。在钢管混凝土受力初期，钢管和混凝土按刚度比承重荷载，如果忽略二者界面上的粘结力，可认为混凝土单向受压状态。随着混凝土应力的增加，如果其横向变形，超过了钢管的横向变形，混凝土会受到钢管的紧箍力，核心混凝土由单向受压发展到三向受压。

2.2 GFRP管混凝土的力学性能

GFRP管混凝土的基本工作原理是GFRP管对核心混凝土施加约束作用，使其在紧箍力作用下处于三向受力状态，从而提高其承载力及其延性。

(1)GFRP管对核心混凝土产生紧箍效应，对GFRP管混凝土受力性能产生重要影响:抗压强度大大提高，由脆性材料转变为塑性材料，增强混凝土抗剪能力;GFRP管借助内填混凝土支撑，增强了几何稳定性。两种材料互相取长补短，得到了最完美的组合。

(2)核心混凝土GFRP管包裹，处于密封状态，水分不会散失，收缩变形小。

(3)核心混凝土处于三向应力状态，轴向徐变减小。

(4)先预制GFRP管，再在其中填注混凝土，较外缠混凝土柱结合密实，具有较高的约束效果。

2.3 GFRP管混凝土与钢管混凝土对比优势

(1)钢管混凝土之所以能在工程上广泛应用是因为两种材料发挥了各自的优势，扬长避短，GFRP也同样具有这种优势。

(2)钢管混凝土在施工过程中，钢管本身就是模板，在使用过程中，它又参与受力;GFRP也同样具有这种功能，但钢管易生锈，GFRP管抗腐蚀性能强。

(3)钢管混凝土在地震中表现出良好的延性:GFRP尽管是脆性材料，但它和混凝土组合成的复合材料也同样具有很好的延性，而且效率更高。

(4)随着社会的发展，钢管的取材越来越困难，而GFRP具有明显地资源优势，符合可持续发展的思路。

(5)钢管混凝土的理论研究已经成熟，而GFRP的研究正处于起步阶段。