玻璃钢的特点及其在土木工程中的应用

摘 要：文章介绍了玻璃钢的一些特点以及玻璃钢产品在建筑工程、结构加固工程、道路桥梁工程、隧道工程、岩土工程等土木工程中的应用。

关键词：玻璃钢；建筑工程；道路桥梁工程；隧道工程；岩土工程

前言

玻璃钢也称为玻璃纤维增强材料，（GFRP，Glass Fiber Reinforced Plastic），1939年美国发明的常温常压下成型的不饱和聚酯树脂，与早前发明的玻璃纤维结合在一起，所形成的一种复合材料，在军工、建筑、交通运输、石油化工、农业机电等各个部门应用广泛。玻璃纤维（包括玻璃布、毡等制品）是以玻璃在高温熔融状态下拉丝而成的。直径都很小，表面经过偶联剂处理后提高了树脂的层间粘结力，在玻璃钢中是增强材料，主要提供强度。树脂是玻璃钢中的基质，起到传递剪力和包裹纤维的作用，使得玻璃钢具有耐热、耐腐蚀、耐老化性能。辅助材料为着色剂、耐磨剂、阻燃剂（卤化物），加入石英砂、抗静电剂等可增加玻璃钢的刚度。

1 玻璃钢的特点

玻璃钢和树脂的有机组合，使得玻璃钢具有某些钢材无法比拟的优点。

1.1 可设计性好

可以预制成各种形状，实心、空心、夹层等不同的结构，且夹层结构中间填加聚胺酯泡沫提高了围护物（屋顶、墙壁）隔热性能，使用玻璃钢建造的冷库和活动房隔热性能好，各侧墙和屋顶具有自身承载能力；也可以任意着色，制成各种美观漂亮的产品满足人们的需要；还可以通过选择不同原料、数量多少、玻璃纤维的铺层方式以满足不同方向上的力学要求。

1.2 力学性能好

玻璃钢的比重约为钢铁的1/4～1/5，比铝合金还轻，属于轻质建筑材料。在运输、安装、维护过程中十分方便，大大减轻建筑物的自重，更加安全、可靠。抗拉强度接近甚至超过碳素钢，抗疲劳性好，力学性能优良。

1.3 耐化学腐蚀性强

使用环境不同，选用的树脂也不同，生产出来的玻璃钢耐多种酸、碱、盐和有机溶剂以及耐微生物作用，达到防腐目的也不同。经常应用于化工建筑、地下工程和水下特殊工程的建筑。

1.4 透光性好

在玻璃钢制作过程中，如果加入透光树脂与玻璃纤维织物组合，可以生产出透光且采光效果非常好的产品，如一些装饰性材料、玻璃钢雷达天线罩、玻璃钢机房及东方明珠电视塔透波墙（直径45m、距地面高度258m），弥补了一般玻璃易破碎、强度不高的弱点，将围护、采光两者结合起来考虑，对于其他材料来说，是难以实现的。

1.5 电性能好

玻璃钢热导率在室温下是金属的1/100～1/1000，是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。微波透过性良好，可以用来建造电气通讯系统的建筑物，如输电线塔、用于电磁试验操作的建筑结构，或者是感光电路金属板房间。第一个全GFRP建筑是美国苹果计算机公司的电磁干涉实验室，另一个工程例子是IBM计算机公司电路板车间的5层上部结构[1]。

1.6 隔音性好

玻璃钢有吸收振动音及传播音的作用，解决了传统隔音性能好的材料往往比重大、不易装配的缺点。通过优化设计，能使原来并不突出的玻璃钢隔音性能取得很好的效果。经同济大学测试，隔音板的指标达23分贝以上，结合隔音板（墙）自身刚度特点，使得玻璃钢隔音板能得到推广和使用[2]。

1.7 玻璃钢的缺点

玻璃钢弹性模量比钢材低，即材料的刚性较差，容易变形；与钢材相比，其韧性差，伸长率较低，破坏时没有屈服平台，属于脆性破坏，虽然可以满足土木结构对材料韧性的基本要求，但在土木工程應用上受到诸多限制。玻璃钢的热膨胀系数接近于混凝土，将玻璃钢与混凝土合理的组合，就如钢筋和混凝土两种不同材料的组合一样，发挥两种材料的长处，弥补各自的不足，如玻璃钢管混凝土柱，具有较高的强度、刚度、耐腐蚀性能。

2 玻璃钢产品在土木工程中的应用

玻璃钢的研究在理论上已经趋于成熟，并在工程实践上广泛应用。鉴于以上特点，玻璃钢在建筑工程、桥梁工程、隧道工程、岩土工程中应用很广。

2.1 玻璃钢产品在建筑工程中的应用

建筑物的采光材料（玻璃钢波纹采光板）、围护材料（玻璃钢门窗）、采暖通风材料、玻璃钢模板、给排水工程材料、装饰装修材料、结构加固补强材料等都大量使用了玻璃钢。

2.1.1 玻璃钢波纹采光板

玻璃钢波纹板隔热保温、防水、透光、装饰效果好，具有抗腐蚀、耐老化的优良特性，主要用于大型工业厂房、大型超市、体育场馆、大型集贸市场，属于可持续发展的绿色建筑材料。

2.1.2 玻璃钢门窗

玻璃钢门窗兼有钢、铝门窗的坚固性和塑钢门窗的耐腐蚀、耐潮湿、保温节能性好的特点。玻璃纤维的抗折、抗弯性能好，热膨胀系数低，与墙体的热膨胀系数接近，玻璃钢门窗在炎热的环境下下不会膨胀，严寒环境下不会收缩，在温度变化时窗框不会与墙体产生缝隙，密封性能好，寿命长，可以节省更换门窗的费用。其综合性能优于其他类门窗。

2.1.3 玻璃钢模板

玻璃钢模板容易加工成各种复杂的曲面形状，自重轻，仅为钢模板的1/3左右，无需太过复杂的支撑，安装拆卸比较容易，提高了施工效率。模板表面光洁、接缝少、密封性好、平整度高、易脱模、成型的构件质量好，拆模后便于清理，维修方便，破损率低，可重复使用，周转效率高。玻璃钢模板具有透光性能，可以直接观察到混凝土的浇灌情况，保证了施工质量，以上这些优点是木模和钢模所无法比拟的。

2.2 玻璃钢产品在结构加固中的应用

玻璃纤维强度高、重量轻、耐腐蚀性强，可以抑制混凝土劣化和钢筋锈蚀、提高结构的延性，不需要大型机械，便于施工。在建筑物、桥梁、特种结构等维修改造、加固工程中发挥重要作用。用玻璃钢代替钢板加固混凝土结构作用机理是利用树脂类材料将玻璃纤维粘贴在混凝土构件表面，由于玻璃钢的线膨胀系数与混凝土的线膨胀系数相近，二者得以共同工作。加固后提高了混凝土的抗压强度、极限压应变，进而提高了被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震能力，达到不改变结构形式又不影响结构外观的效果。在湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥、广东官汕线郭屋楼桥、韶关地区风村桥以及南京长江大桥引桥等处，都采用环氧树脂粘贴玻璃布进行了加固[3]。

2.3 玻璃钢产品在道路桥梁工程中的应用

玻璃钢人孔在高等级公路建设中的应用，缩短了工期，提高了效率，具有良好的经济效益，是高等级公路人孔的理想产品[4]。1986年建成的重庆交院桥，采用GFRP箱梁，建造成本比钢桥省了50%[5]。玻璃钢材料制作的泄水管具有耐腐蚀、较易运输存放、市场无回收价值，不易被破坏、不易被杂物堵塞，可根据实际情况设计成任意形状以满足排水，使用寿命长，比铸铁泄水管造价低等优点，在桥梁工程中得到了充分利用。

2.4 玻璃钢产品在隧道工程中的应用

玻璃钢可加工成与钢筋一样的形式与尺寸。与钢筋相比，其抗拉强度高、抗剪强度低，可切割性、抗腐蚀性能好，电传导能力低、加入一定配方后的玻璃纤维筋与金属碰撞不会发生明火，安全性能好。在地铁施工中可以利用玻璃钢的这些优点来替代盾构穿越影响范围内围护桩内的钢筋。盾构机可以直接切割玻璃纤维筋，避免人工拆除围护桩及钢筋发生的人身伤害，减少对地面环境的干扰，提高了施工效率；省去了洞口处钢筋及凿除混凝土桩的费用，经济效益及社会效益明显。如天津地铁2号线沙柳路站、深圳地铁5号线大学城站、南宁轨道交通1号线广西大学站。

2.5 玻璃钢产品在岩土工程中的应用

玻璃钢可设计性强、耐腐蚀性好、自重轻，便于施工，用玻璃钢加强筋来替换普通钢筋，广泛应用于干湿环境下的土钉墙、挡土墙、锚杆、连续墙等工程中。黄新民[6]发现由树脂和玻璃纤维复合组成的玻璃纤维筋作为土钉材料，可以显着减少钢筋生产所带来的能源消耗，减少环境污染，符合国家节能减排的政策要求。玻璃钢锚杆具有轻质高强，耐腐蚀性、抗静电、容易切割且摩擦不会产生火花、防爆性能好，不受煤层瓦斯等级限制。刘汉东[7]通过试验证实 GFRP锚杆强度高、与混凝土变形协调性好等力学性能，如果替代钢材锚杆应用在边坡永久加固中，能够解决钢筋材料腐蚀问题，具有广阔的应用前景。

3 结束语

随着我国经济的发展，采用玻璃钢作为土木工程材料将会降低劳动强度，减少劳动量，缩短施工周期，降低能源消耗，保护环境。随着生产技术的飞速发展，工人劳动费用的增加，玻璃钢产品在土木工程中的应用范围将会越来越广。

参考文献

[1]王全凤，杨勇新，岳清瑞.FRP复合材料及其在土木工程中的应用研究[J].华侨大学学报（自然科学版），2005：1-6.

[2]翁雷，李萍.玻璃钢复合材料在建筑结构中的应用[J].玻璃鋼，1998（2）：19-22.

[3]曾宪桃，车惠民.复合材料FRP在桥梁工程中的应用及其前景[J].桥梁建设，2000（2）：66-70.

[4]彭龙.玻璃钢人孔在高等级公路交通工程中的应用[J].科技与企业， 2014：185-185.

[5]杨允表，石洞.复合材料在桥梁工程中的应用[J].桥梁建筑，1997（4）：1-4.

[6]黄新民. GFRP筋在深基坑边坡土钉支护工程中的应用[J].铁道建筑技术，2012（8）：67-76.

[7]刘汉东，于新政，李国维. GFRP锚杆拉伸力学性能试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（20）：3719-3723.

作者简介：孙凌云（1981，3-），女，工程师，硕士，桂林理工大学博文管理学院工作，土木工程专业。