纤维增强复合材料在土木工程中的应用与发展

闫清峰，张纪刚,2*

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266033)

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)是由纤维材料做增强体，与基体材料按照一定的比例混合后形成的高性能复合材料，自20世纪40年代问世以来，凭借其轻质高强、耐腐蚀、耐久性好、机械强度高等优良的性能，广泛应用于车辆、机械化工、航空航天以及生物医药等诸多领域[1-3]，近年来，FRP因其适应现代结构发展的方向(大跨、高层、轻质),被广泛应用于修复加固工程、桥梁工程、海洋工程、岩土工程以及各类民用建筑中，受到土木工程界的广泛关注[4-7]。

FRP的研究、开发和应用在欧美等发达国家已成为十分活跃的领域，今后也将给中国建筑经济领域带来不可忽视的综合效益[8]。为此，总结了中外关于FRP在土木工程领域的研究进展，重点讨论了FRP材料本身以及FRP与其他材料相结合时的性能表现，为FRP的科学研究与工程应用提供参考意见。

1 典型的FRP材料

FRP是由纤维材料和基体材料复合而成的，其材料性能与钢材、混凝土等传统结构的材料性能有很大差异。在土木工程中常用的纤维材料主要有碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维，与之相对应的复合材料分别称为碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymer,GFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)和芳纶纤维增强复合材料(aramid fiber reinforced polymer,AFRP)[9]。最常用的基体材料为热固性树脂基体，主要包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯树脂和酚醛树脂等。

1.1 碳纤维增强复合材料

CFRP具有极高的抗拉强度和比强度，质量仅为钢材的20%但却具有等同于钢材的弹性模量，在所有的FRP中强度是最高的，抗疲劳性能和抗徐变性能也是最好的，但CFRP的造价偏高，是普通钢材的2～10倍，而且它的延伸率小，为了得到更好的性能有时需要混合其他纤维共同使用。碳纤维本身又可分为标准型(T300)、高强型(T800H)、高模型(M50J)以及极高模型(P120)[10-11]。

1.2 玻璃纤维增强复合材料

玻璃纤维是叶蜡石、石英砂、石灰石等7种矿石为原料经一系列工艺制造成，因原材料丰富、价格便宜，是目前工程中应用最为广泛的纤维材料，通常以30%～35%的质量复合到基体材料中，GFRP(俗称玻璃钢)具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好、可设计性强、便于大面积成型以及适应强等优点。根据玻璃成分，玻璃纤维可分为无碱玻璃(E-玻璃)、中碱玻璃(C-玻璃)、耐碱玻璃(AR-玻璃)、高模量玻璃(M-玻璃)、高强玻璃(S-玻璃)等，其中E-GFRP在FRP中最便宜、消耗量最大。但在世界卫生组织癌症研究机构2017年公布的名单中，E-GFRP在2B类致癌清单中。

1.3 玄武岩纤维增强复合材料

玄武岩纤维是一种近些年兴起的新型无机高性能纤维材料[12]，由天然玄武岩拉制而成，废弃后可在环境中直接降解，绿色环保[13]。BFRP不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温、抗辐射、抗震性能好等多种优异性能，成本与GFRP相似，是GFRP的一种有效替代品[14]，目前中国关于玄武岩纤维的规范正在推行试用阶段。

1.4 芳纶纤维增强复合材料

芳纶纤维是一种高性能的人造合成纤维，由芳香环和酰胺键构成，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、低密度等优良性能，还具有良好的介电性和绝缘性，生命周期长。目前Kevlar纤维、Twaron纤维、Technora纤维等由美国和日本公司生产的芳纶纤维占据了大部分市场，中国研究起步较晚，技术不够成熟，目前芳纶纤维的使用大部分依赖进口。AFRP是所有FRP材料中综合性能最好的一种，与GFRP相比其密度低40%[15]，与CFRP相比，其抗碱性更强、延伸率更高[16]，在高速荷载作用下其破坏强度较之于其他FPR材料要高出40%。

1.5 树脂材料

树脂材料在复合材料中做基体使用，将纤维黏结在一起，使纤维材料受力均匀。树脂的选择尤为重要，它会影响整个复合材料的力学性能，热塑性树脂由于耐热性和刚性较差，不适用于土木工程，而环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯树脂和酚醛树脂等热固性树脂由于刚性大、硬度高、耐温高、制品尺寸稳定性好等特点，被广泛应用于FRP的基体材料[17-20]。

表1～表3分别给出了纤维材料、基体材料和FRP材料的力学性能，并与传统材料进行了对比。

表1 纤维材料与钢力学性能对比Table 1 Comparison of mechanical properties between fiber materials and steel

表2 典型树脂基体性能参数Table 2 Typical resin matrix performance parameters

表3 FRP力学性能与钢材的对比Table 3 Comparison of mechanical properties between FRP and steel

尽管FRP材料具有诸多优良性能，但其缺点依然比较明显[21-27]，具体如下。

(1)各向异性严重，FRP顺纤维方向的强度和弹性模量远高于垂直纤维方向，两个方向的抗拉强度相差可达25倍，抗压强度相差可达5倍，模量相差13倍。

(2)弹性模量低是FRP作为结构材料最大的劣势，除CFRP外，其他FRP材料的弹性模量约为钢材的1/20～1/2，同时FRP材料强度有较大的离散性，钢材屈服强度的离散系数约为0.1，而FRP材料拉伸强度的离散系数约为0.15。

(3)FRP结构有多种连接方式(铆接、栓接和黏接等)，无论哪种连接方式，与其他材料构件的连接处是整个结构的薄弱点，其抗剪强度低，仅为抗拉强度的5%～20%，这也是目前FRP应用过程中亟待解决的问题。

(4)防火性能差。由于树脂材料在高温下会软化，一般FRP材料的临界温度在300～400 ℃，而且部分树脂材料有可燃性。目前可采用在树脂中掺入阻燃剂，并在FRP表面进行防火处理，防火效果已经与混凝土结构相当。

(5)FRP材料的经济性和耐久性一直都是学者的研究的重点。FRP材料在价格上没有任何的竞争优势，但由于自重轻强度高，材料用量少，而且维护费用低廉，随着应用普及，其综合经济效益十分可观。目前FRP厂商都是通过快速老化试验来证明材料的耐久性，而实际上在时间、温度、湿度等因素共同作用下，材料性能的变化很复杂，像徐变、应力松弛及碱性反应等问题，而由于FRP材料应用于土木工程中也仅50余年，适用于中国环境的耐久性研究相对较少。

2 FRP筋和FRP筋混凝土结构

传统钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构过早破坏的主要原因之一，暴露在严酷环境下的结构破坏更快，为解决这一问题，从20世纪80年代开始，研究者们开始提倡用FRP筋代替钢筋作为受力筋，提高结构的耐久性，FRP筋混凝土结构已成为发展的热门，中外学者在FRP筋和FRP筋混凝土结构方面也取得了丰富的研究和实践成果[28]。

FRP筋由纤维材料和树脂材料复合而成，其中纤维材料的含量一般在70%～80%，表4给出4种代表性FRP筋的性能与普通钢筋的对比[29]。

表4 典型FRP筋与普通钢筋力学性能的对比Table 4 Comparison of mechanical properties between FRP bars and reinforcement bars

由于树脂基体的存在，FRP筋的防火性能一直是研究者们关注的焦点。Ashrafi等[30]研究了不同参数(直径、纤维和树脂类型)下温度对FRP筋拉伸性能影响，试验结果表明，25～90 ℃也就是低于玻璃转化温度时，FRP筋的极限抗拉强度基本不变；在90～300 ℃，GFRP筋和CFRP筋的强度明显下将；温度高于300 ℃时，GFRP筋和CFRP筋的极限抗拉强度下降到60%。直径分别为4、6、8 mm的GFRP筋对应的临界温度分别为300、375、377 ℃；直径为5 mm的环氧树脂CFRP筋(纤维体积率75%)、环氧树脂CFRP筋(纤维体积率85%)、乙烯树脂CFRP筋(纤维体积率85%)对应的临界温度分别为330、360、450 ℃。综合来说，450 ℃是所有FRP筋工作的临界温度[31]。

耐久性好是人们对FRP材料普遍的认知，FRP 筋经常被用作普通钢筋的替代者应用于极端环境中。Yi等[32]进行了FRP筋和FRP筋混凝土的耐久性研究的快速老化试验，将裸FRP筋以及FRP筋普通混凝土分别置于以下5种环境中：水溶液、碱性溶液、盐溶液、碱和氯离子的混合溶液，并进行了高温加速老化、冻融循环、干湿循环试验和拉拔试验，对试验前后FRP筋的抗拉强度以及层间抗剪强度进行了对比分析，结果表明，在5种不同的环境中，CFRP筋均表现出优异的耐久性能，而GFRP筋的强度以及黏结强度在湿润环境中的下降程度大于干湿循环环境，60 ℃环境下表现得尤为突出，相比之下，冻融循环对FRP筋的影响很小；Arnaud等[33]对GFRP筋做了长期大量的研究证明，年平均气温在5～35 ℃，在干湿循环环境中使用50年后，GFRP筋的强度最高可维持在初始强度的92%，耐久性能远优于普通钢筋。

FRP筋与混凝土之间的黏结力是二者共同协调工作的前提[33-34]。王勃等[35]对FRP筋与混凝土之间的黏结破坏性能进行了研究，设计了27个不同FRP筋直径、黏结长度和混凝土强度等级的中心拔出黏结试件进行了拔出试验，结果表明，拔出破坏的形式主要与黏结长度有关，当黏结长度分别为5D、10D和20D(D为FRP筋直径)时，破坏形式分别为FRP筋拔出破坏、混凝土劈裂破坏和FRP拉断破坏，混凝土强度等级和 FRP 筋直径对破坏形式影响不明显，需进一步探究。

Wang等[8]研究了不同温度在海水条件下GFRP筋和CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能，结果表明在海水条件下，树脂与纤维之间出现微裂纹和空隙，并逐渐发生脱落，FRP筋表现出不同程度的劣化，但好于普通钢筋，在较高的海水温度下，GFRP筋的劣化更为明显；随着浸泡时间增长和温度升高，CFRP筋和GFRP筋的黏结强度明显降低，CFRP筋黏结强度下降是由于树脂基体的劣化引起的，而GFRP筋黏结强度下降是由于二者界面破坏引起的，GFRP筋的破坏模式从拔出破坏变为FRP筋拉断破坏；在实际工程中，应当增加混凝土的保护层厚度以及FRP筋的锚固长度[36-38]。

不同于普通钢筋，FRP筋没有屈服平台，从受力开始到破坏均表现为线弹性，因此FRP筋混凝土构件的破坏带有一定的脆性，因此在计算时FRP筋不能简单的当成钢筋，必须针对其性能采用合理的设计方法，同时FRP筋与混凝土的界面剥离是构件破坏的主要形式，如何加强二者之间的黏结强度是未来普及的关键所在，仍需进行大量的理论和试验研究[39-45]。

3 FRP加固结构

FRP材料具有良好的成型性和可加工性，利用外黏FRP材料加固是现有结构加固改造中最为有效的解决方案之一，以此为基础形成的板材、布材、片材等FRP材料在道桥、建筑、岩土、海洋以及特种工程(隧道、涵洞、烟囱、壳体)加固中都有广泛的应用，同时FRP可以用作极端条件(如高温、盐碱、腐蚀、冻融循环、爆炸和冲击等环境)下改善结构性能的优良材料。

Lo等[46]使用有限元模型对轴向受压的FRP约束的矩形混凝土柱进行非线性分析，并根据现有试验研究中的矩形截面试件对模拟结果进行了验证；Williams等[47]通过试验研究了两种FRP材料加固的T梁在火灾条件下的性能，表明CFRP和GFRP在250 ℃和325 ℃时强度损失约为50%；Silva等[48]研究发现，在盐水环境中暴露1 000 h对FRP材料没有明显影响，而在暴露10 000 h(约13个月)时，FRP材料和混凝土界面遭到严重破坏；Green等[49]将FRP加固的构件在碱性条件下维持3 000 h后发现，在23 ℃环境下其极限承载能力最高下降了23.3%，当温度从23 ℃升高到60 ℃过程中，其强度变化不明显。

FRP加固在桥梁工程中也得到了广泛的推广。德国的Albstadt人行桥是世界上第一座用FRP增强的混凝土人行桥(TRC桥梁)，由于架桥地点有防冻要求，防冻剂带来的盐危害较大，为了满足抗盐要求，该桥采用间距38 mm的碳纤维网加固，主梁上采用两层碳纤维网，并在桥梁转角采用U形纤维网，该桥不采用钢筋，弯矩和剪力全部由纤维网承担，为了验证该桥的性能，德国RWTH Aachen University采用足尺模型进行荷载试验，验证了结构的安全可靠，并经过长期的实践，桥梁依然完好无损。

FRP锚杆在边坡加固基坑支护中也得到了有效应用[50-51]。湖南省在长沙高速公路红砂岩段边坡加固工程中，由于当地基岩多为红砂岩，还存在大量的泥质胶结物，地质条件差，风化严重，且坡度高、坡度大，工程采用了长为6 m的GFRP锚杆加固，加固后边坡系数达到了1.32，尽管在暴风雨季节边坡依然产生位移，但其滑移量要远远小于采用常规锚杆的边坡。

随着加固技术的发展，FRP-钢板复合加固的形式越来越被重视[52-54]。加固材料的选择取决于现有结构的材料类型、施工技术、环境条件、可行性以及经济性等[55]。尽管FRP的弹性模量低，但它具有很高的抗拉强度，可以将钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)梁的极限强度提高到原来的两倍，同时使RC梁具有出色的抗剪切和抗扭转能力，但FRP加固依旧面临诸多的问题[56]，在有效利用FRP极限应变的前提下，FRP加固最常发生的破坏是其脆性的脱落破坏，如何保证层间应力的有效传递，保证黏结层的黏结强度和耐久性仍是一道难题；如果混凝土内部黏结强度过大，加之混凝土和纤维之间质量差，会使FRP材料本身提前断裂而退出工作，FRP允许的应变仅为极限应变的10%～25%，多层FRP材料这一数值更低；FRP锚杆断裂也是一个关键问题，由于锚杆中常用的GFRP材料具有一定的脆性，当钢套管滑落时，锚杆头容易受到挤压，GFRP锚杆容易断裂，另外，由于GFRP的断裂伸长率最大在3%左右，GFRP锚杆的能量不能有效分散，限制了锚杆的允许应变，因此GFRP锚杆在地震作用下的性能比钢锚杆要差。

4 FRP结构和FRP组合结构

4.1 全FRP结构

全FRP结构主要应用于中小跨度的桥梁工程，例如位于荷兰TU Delft大学的全FRP人行桥Delft Bridge，如图1所示；此外还有位于中国河北省的FRP彩虹桥等，如图2所示。目前在世界范围内掀起了一股FRP桥梁的热潮。

图1 荷兰Delft人行桥Fig.1 Delft pedestrain bridge in the Netherlands

图2 中国河北彩虹桥Fig.2 Rainbow bridge in Hebei Province,China

Wei等[57]对欧洲8座FRP桥梁的动力特性(模态、固有频率和阻尼比等)进行了评估对比发现，FRP人行桥在相同跨度下具有相似的基本频率，与结构材料无关；第一竖向模态下的平均阻尼比是钢-混凝土组合桥的2.5倍，但要低于木桥；FRP人行桥的频率和阻尼比与响应幅值有关，由于结构频率随振幅变化时难以产生共振响应，固有频率的这种振幅依赖性可能会改善这些桥的振动性能；另外，FRP人行桥的平均加速度峰值比常规人行桥的加速度峰值高3.5倍。

Izabela等[58]对两座具有不同结构布局(图3、图4)的GFRP人行天桥的动力特性以及行人和车辆荷载作用下的振动性能进行了研究，并用有限元软件ABAQUS计算，研究结果表明，尽管GFRP桥具有低质量和低刚度的特性，但在行人和重型车辆作用下人行桥没有因振动而引起破坏；U形梁结构的固有频率为5.71 Hz，超出行人动态影响的范围(1.3～3.4 Hz)，不会产生共振，但双层拱结构最低固有频率为2.68 Hz，它与人跑步时的频率一致，易产生共振，考虑到行人荷载，U形梁结构形式的人行天桥要更好；考虑到有车辆通过时的动荷载，车辆动态荷载的频率特性取决于车辆速度，由于慢车通过时频率接近所研究结构的固有频率，因此实际工程中对车行桥的车速必须加以限制。

图3 西班牙Lleida人行桥Fig.3 Lleida footbridge,Spain

图4 英国Bradkirk桥Fig.4 Bradkirk Bridge,UK

4.2 FRP组合结构

用FRP代替橡胶隔震支座中钢板是一种新思路。袁谱等[59]对冻融条件下FRP橡胶隔震支座的力学性能进行了试验研究，对12个FRP橡胶隔震支座分别进行冻融循环处理25、50、75次，并进行刚度性能试验，对试验前后的支座性能进行了对比分析发现，冻融后支座的水平刚度比常温下的水平刚度要高。橡胶因冷冻引起强度变大、脆性增大，加之基体材料膨胀吸湿，导致支座水平刚度随测试时间的增长下降了3.26%～43.25%，极限压应力和剪应变也越来越小；同时，当压应力不变时，水平刚度与剪应变负相关；当剪应变不变时，水平刚度随着与压应力也为负相关；有橡胶保护层的隔震支座力学性能要明显好于无保护层的支座。

钢管混凝土柱被广泛用在结构中，这种柱的常见失效模式是柱端的向外局部屈曲，而将FRP应用到钢管混凝土柱中可以有效抑制这种局部屈曲[60-62]。Yu等[63]、Teng等[64]、Butje等[65-66]对FRP-混凝土-钢中空组合柱(DSTCS)进行研究，发现DSTCS[图5(a)]的受力可以总结为两个阶段：内钢管屈曲之前，力学性能受FRP控制；内钢管屈曲之后，力学性能主要受内钢管控制。空心率和钢管的径厚比对力学性能影响较大，外圆内圆截面形式的DSTCS力学性能最好，外圆内方截面形式力学性能较差，且内钢管强度越高，组合柱的力学性能越差。

如图5(b)所示，FRP-钢-混凝土实心混合柱(CCFTS)是另外一种形式的组合柱，它将FRP材料整个缠绕在钢管外表面，相较于DSTCS，CCFTS中钢管和FRP对内部混凝土提供了双重约束，极大提高了混凝土的极限应力，且FRP提供的约束力要远大于钢管，因此该组合柱最终破坏均为FRP的环向断裂。

因此，CCFTS受力可分为：混凝土未受约束阶段、FRP和钢共同约束阶段和FRP单独约束阶段。但如果钢管厚度过大，其不均匀膨胀会影响FRP的约束作用[67-72]。还有其他形式的组合柱，比如在CCFTS钢管和混凝土中加一层软泡沫带、FRP混凝土型钢柱等，无论哪种形式的组合柱，虽然FRP可以提供持续的约束，但脆性依然比较明显，破坏前没有明显的征兆。

5 结论和展望

FRP材料凭借其优良的性能在土木工程建设中得到了广泛的应用，从长远来看，还需要在以下3个方面进行深入研究。

(1)FRP材料需要根据实际需要选择基体和增强体，不同的组合性能相差很大，而关于材料本构关系的研究还比较缺乏，应该继续开展对FRP材料的力学性能、结构性能和实际应用的系统理论研究；另外，FRP本身弹性模量低以及抗压、抗剪强度低极大限制它的应用，应该开展相关理论及试验研究改善这些不足。

(2)无论FRP筋、FRP加固还是FRP结构，如何保证与其他材料连接的可靠性是重中之重。目前FRP在结构中的破坏大部分是界面的破坏(材料界面发生脱落、剥离)，如何确定材料之间相互作用、保证材料协调稳定整体工作还需要进一步研究探索。

(3)目前关于FRP材料的规范和条例还不够完善，应根据研究成果规范FRP材料结构的设计、生产、检验、试验、应用和施工，提高FRP材料生产和安装的一致性和安全性。

虽然FRP材料的应用越来越广泛，但目前中国从技术、质量，特别是对新技术、新产品的开发和应用与发达国家仍有较大差距。中国应加大FRP材料在土木工程领域的基础技术研究投入，促进FRP材料产业化进程，同时，加强与其他领域的合作，从而全面提高土木工程领域FRP材料的研发、生产及应用能力。随着不断地研究实践，FRP材料在土木工程建设中必将发挥更重要作用。