FRP复合材料在道路路面裂缝安全处治中的运用

张 鑫 代清利 李 伟 张 旭

中国建筑土木建设有限公司 山东 济南 250000

FRP复合材料主要作用为针对钢筋展开处理与加固，以解决钢筋容易生锈的问题。其中FRP筋强度高、重量轻、防腐性能好，可以弥补传统钢筋的诸多缺陷。作为近年来兴起的一种新型路面，国内外研究开发较少。因此，深入研究使用FRP筋替代钢筋混凝土路面，提高路面质量，延长路面使用寿命，以丰富我国钢筋混凝土路面的种类，创新道路路面裂缝处治途径，具有广阔的应用前景。

1 道路路面裂缝概述

导致道路路面形成裂缝的因素较多，具体可分为以下几种：

1）温度裂缝，温度裂纹大部分为横向裂纹，少数为垂直裂纹。路面温度裂缝的形成主要是混凝土材料的水热过程造成的。混凝土浇筑时，混凝土会逐渐凝固，但在此期间，混凝土会释放出大量热量，需要不断浇水，以保证混凝土排水过程内外的温差和湿度正常。但一旦平衡被打破，混凝土因高温而变形，混凝土体积将继续增加。内部温度不能快速释放，导致混凝土中的拉应力较大。此外，当混凝土路面温度急剧下降时，混凝土表面会产生强烈的压缩，内部张力和外部压缩的相互作用，混凝土材料超过极限抗压强度后，路面会形成热裂缝[1]。

2）反射裂缝，道路路面的特点是强度和刚度高、变形能力小、耐高温或高湿、易撕裂。当基层开裂时，如果表层与基层的粘结效果好，表层会抑制基层，导致基层开裂，沥青层产生拉应力和拉伸变形。除了运输荷载引起的应力叠加效应外，当平面层被拉伸或拉伸超过沥青拉应力时，沥青层会在相应的基层裂缝底部开裂；如果表面较薄，裂缝可能会从下向上延伸到表面，形成反射裂缝[2]。

3）荷载裂缝，此类裂缝主要分为水平裂缝，也有部分裂缝分为垂直裂缝。横向裂缝与路面交通不同，与路面中心线呈垂直角度分布。一些严重的横向裂缝不仅很大，而且贯穿整条道路。纵向裂缝的分布方向与道路相同。一些由载荷因素引起的纵向裂缝长度可达数百米。纵向裂缝不断扩大和延伸，然后与横向裂缝相交，使道路裂缝成网状。荷载裂缝主要是由于道路行驶时间长，长期处于荷载条件下，对路面造成较大的荷载。一旦这种向下拉力的值超过路面的抗拉强度极限，裂缝就会从路面底部延伸到表面，导致路面荷载出现裂缝。此外，为了从运输中获取更多利润，一些车辆超载，可能导致道路严重拥堵。此外，大量车辆超载，会对路基和路面造成较大压力，使其无法承受外界和地面拉倒产生的巨大载荷，导致路面开裂[3]。

2 常用FRP复合材料分析

在水泥混凝土中布置一定数量的纵横钢筋混凝土涂层，以提高混凝土板对收缩变形的抗裂能力，从而提高普通水泥混凝土路面的抗病性。在交通繁忙、道路排水不畅、道路基础设施不稳定的情况下，钢筋混凝土路面具有明显的技术优势。目前国内外钢筋普遍存在易腐蚀钢筋。腐蚀后，钢筋的力学性能下降。对钢筋混凝土结构的可用性和耐久性的影响，也会大幅增加道路安全风险。尽管采取适当的钢筋腐蚀控制措施，例如：1)使用保护材料或外部措施；2)加强对混凝土本身的保护。但是，这些措施只能在一定程度上缓解钢筋的腐蚀，根本无法防止问题的发生。钢筋混凝土路面结构损坏的主要原因是钢筋混凝土腐蚀引起的路面结构过早断裂，因此，寻找替代钢筋的新材料成为近年来的主要研究方向。

FRP复合材料是由纤维基体、环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、拉伸拉伸时形成的一种新型复合材料，能够减少路面修补次数，密度相对较低，相对密度光纤放大器为1.9~2.1g/cm3，重量为1/4，可增加重量，此特点便于运输、施工、安装等领域的光纤紧固，减轻结构重量。坚固耐用，纤维棒不生锈，耐腐蚀，可在恶劣条件或超低温下使用，可用于盐碱化、高温、低温等特殊工程作业。

钢筋锈蚀引起的结构过早开裂是钢筋混凝土结构失效的主要原因。人们一直在寻找一种可以在混凝土中替代钢筋的材料，而FRP复合材料作为钢筋的替代材料，国外已开发成功。此类材料主要包括CFRP、GFRP和AFRP，在土木工程领域具有广阔的前景。GFRP具有重量轻、强度高、耐腐蚀、线膨胀系数接近混凝土的特点。它可用于制造钢筋材料，以替代大跨度混凝土砌块预制结构，也可加工成包或电缆，用于大型建筑电缆或吊索或路面，以提高道路的质量和耐久性。GFRP筋不仅可以代替钢筋，而且不用担心会生锈。加固时，它们比钢筋具有更大的分散性和抗裂性，可以弥补水泥或混凝土制品的重量、韧性弱和抗冲击性低等问题[4]。

FRP复合材料广泛应用于隧道、机场跑道、停车场、路面等领域，同时，由于其无磁性，这类材料还广泛应用于医院、科研实验室、观测站等场所。1960年，美国开始研究用GFRP钢筋作为混凝土加固材料。然而，由于GFRP材料的低剪切阻力，在实际应用中遇到诸多挫折。1997年，美国出台GFRP性能增强试验规范及预应力梁疲劳性能等中间结果。美国联邦公路管理局随后的一项研究，包括预应力梁和桥梁的设计项目，于2000年初完成。此后，美国设计并实施多个研究和示范项目。例如，2004年2月，佛蒙特州建成该州第一座复合桥，长43.9m，宽10.4m。该桥将混凝土桥中的钢筋替换为GFRP钢筋，实现智能监控。目前，美国已经成立一个相关的专业委员会（ACI440），为FRP复合材料及其混凝土结构的设计、施工制定标准，并制定测试程序。

3 FRP复合材料在道路路面裂缝处治中的运用

3.1 在水泥路面中的运用

水泥混凝土基体裂缝的基本形态由荷载反射裂缝和温度裂缝组成，由于温度、载荷等原因，混凝土层在滑动缝中不能正常工作。在这种情况下，它可能会上升或下降，导致裂缝蔓延到沥青的上层。增加材料的抗弯刚度可以减小面板的弯曲曲率，可以在滑动缝中填充FRP纤维，或者可以在混凝土中加入短CFRP纤维来增加混凝土板的强度，增加板的抗弯刚度。混凝土板，并减少混凝土板的弯曲变形。因此，提高混凝土结构的抗拉强度和承载能力，混凝土层能更好地适应荷载和温度的影响，从而控制裂缝的发生[5]。

此外，FRP复合材料还可用于外附裂缝的处理，在实际应用中FRP材料需要与水泥灌浆操作相互结合，其核心是先用注浆压力处理混凝土裂缝。溶液凝固后，根据结构特点和裂纹形状，选择不同的材料进行FRP和FRP表面的粘接/粘贴。接缝有几种方法：1)FRP面嵌件固定混凝土。具体可以去除混凝土结构碎屑周围的裂缝，垂直于裂缝方向的裂缝面上插入1-3层FRP复合材料，保证裂缝两侧的FRP筋的锚固长度固定。2)切割FRP固定槽，将FRP筋插入切割好的适合混凝土结构加固的插入面。具体方法：沿裂缝方向垂直开槽，深度10-20mm，槽宽+2mmFRP筋厚度。应清除罐内混凝土和灰尘，罐内壁和FRP复合材料应完全覆盖埋入罐内的结构胶。FRP复合材料比其他材料具有更大的切割面积和更大的强度。板条嵌入混凝土中，粘合面积大，小于外接触面，可防止因尖锐物体而断裂，与其他材料的表面附着力相比，该构件的阻燃性能也更高。

3.2 在沥青路面中的运用

复合涂层沥青路面主要产生低温裂缝和温度疲劳裂缝。如果提高沥青路面的抗拉强度，自然会控制温度裂缝的宽度和数量。同等条件下，GFRP材料的强度大于钢筋，但延展性也更高，混合沥青的裂缝无法控制；CFRP材料比GFRP材料具有更高的强度。如果在沥青路面中加入CFRP材料，可能会降低沥青的变形量，同时CFRP材料本身的稳定性也较差，即在沥青路面中加入CFRP材料会降低。因此，CFRP材料更适用于沥青路面的裂缝控制。由于沥青路面施工的技术限制，可以将CFRP材料制成细粒板材并添加到沥青混合料中，这样即使后期沥青路面出现裂缝，也可以使用沥青路面上的CFRP。良好的耐腐蚀性和耐久性，使裂缝的发展可以得到控制。

3.3 在路面改造中的运用

在一些道路裂缝修补工程中，使用FRP复合材料不仅施工方便，而且对改善路面荷载作用显着，耐腐蚀性能高。通常，FRP织物或FRP面板用于增强可弯曲涂层以增加炉前强度。注意，在维护加固过程中，结构材料可能会发生电反应，因此必须采取相应的预防措施；此外，FRP材料的弹性模量必须满足设计要求。在一定的腐蚀条件下，FRP筋可以代替普通钢作为结构钢，从而提高结构的耐腐蚀性能。例如，FRP筋可用作钢筋混凝土涂层的主要支撑钢筋，在实际应用中，FRP与混凝土的粘结是FRP混凝土结构中需要注意的关键问题之一。通常，在拉伸成型过程中，FRP表面需要进行特殊的变形或粗加工，以提高FRP与混凝土之间的附着力。加工包括压花螺纹成型、砂型成型或纤维缠绕。具体来说，影响FRP与混凝土粘结性能的主要因素包括FRP的变形形态、混凝土保护层的厚度、混凝土的强度以及FRP构件的直径和长度[6]。

3.4 在路面夹层中的运用

对于道路路面而言，沥青层与混凝土基础的粘结应力过大或过小，也是沥青上部出现裂缝的原因。水泥基体和沥青层之间的层有效地防止反射裂缝。如果中间层要起到增强稳定性和增强涂层的作用，制造中间层的材料必须具有高强度和耐高温性。在混凝土基体和沥青层之间使用低模量夹层及其良好的抗变形能力，可以改善裂缝对应力集中尖端的影响，有效控制反射裂缝。

目前，应力吸收层的厚度一般为1.0cm-2.0cm。粘弹性吸收层的强度和弹性模量很大程度上受材料成分和温度变化的影响。当材料成分一致时，弹性模量在不同温度下变化很大。吸收层的模量从200MPa到800MPa不等。考虑应力吸收层厚度的影响，通过对不同模量的吸收层进行分析，当吸收膜的比压降低时，相同厚度沥青底部的拉应力显着降低。当应力吸收模量为200MPa、厚度为1cm时，沥青路面的拉应力降低0.537MPa，比无吸收层压力降低85.4%。当吸波层压力模量不变，厚度增加到2cm时，沥青路面土的拉应力下降到0.32MPa，比吸波层不可铺设应力低91.3%，因此，安装应力吸收层以降低沥青底部的拉应力是一个不错的选择。同时，与接近模量的土布相比，应力吸收层对基层沥青路面的应力增加作用更为突出。结果表明，“应力吸收层”远优于“应力吸收层”。六边形网络虽然已经在很多现有的项目中得到应用，但其有效性已经得到证明，在加强方面也存在很多不足，这也是显而易见的。因此，必须使用复合材料。FRP复合材料具有良好的耐用性、高拉伸强度和重量轻，正好符合三明治正常工作所需的特性。因此，FRP复合材料的层压效果更为突出。比如现阶段常用的玻璃纤维格栅，可以有效解决增强材料的腐蚀问题，有效防止和减缓反射裂缝的发生，从而延长路面的使用寿命。

3.5 非结构性安全预防措施

1）防止干燥、收缩、裂纹的对策。为了预防干燥、收缩裂缝，①可以选择适当的材料。选择收缩率相对较低的水泥材料，如中低热水泥或粉煤水泥，以控制水泥用量和水灰比。②混凝土的干燥收缩不易受水灰比的影响。水灰比越大，干燥收缩率越大。因此，在设计混凝土配合比时，需要尽可能控制水灰比，同时添加合理量的减水剂来控制配合比。③在街道混凝土技术施工过程中，应控制混凝土配合比，确保用水量低于指示用水量，控制收缩接缝，做好混凝土养护工作。固化时间应适当控制。在温度低的情况下，需要延长绝缘被覆时间。

2）防止塑性裂纹的对策。为了避免塑性裂纹，还需要使用通常的硅酸盐水泥或干燥收缩值比较小、初始强度较高的硅酸盐水泥。同时，要适当控制水灰比，使用高效减水剂，提高混凝土的可加工性和耐久性，并尽量控制水泥用量和用水量。浇注前，必须浇注基层和模具，确保湿润均匀。使用湿黄麻或榻榻米，在最终拆除前使混凝土保持湿润或使用固化剂使混凝土适当固化。施工期间温度高的情况下，需要遮阳和防风对策。

3）防止温差裂缝的措施。由于温差裂缝，可以通过提高骨料等级，使用微粉煤灰或高效减水剂降低混凝土的水化热来控制水泥的使用。同时，需要改进混凝土搅拌方法，采用二次空气冷却技术控制混凝土浇筑温度，减少温差裂缝。另外，需要在混凝土材料中添加适量的添加剂。外加剂应具有减水和塑化等功能，提高混凝土性能，控制其流动性和保水性。同时，需要减少水化热，延缓热峰的出现。考虑到建筑环境的影响，为了控制混凝土的温升，必须做好防晒和防风工作。由于混凝土结构尺寸对其热应力的影响（混凝土结构尺寸越大，热应力越大），需要采用适当的浇筑方法，合理安排浇筑施工工艺，将浇筑层与砌块分开，确保散热效果。在大型混凝土结构中，为了控制混凝土结构内外的温度差，需要安装使用冷气或冷水冷却混凝土的适当的冷却管。施工前应留有温控接缝。在施工过程中，需要合理控制混凝土的温度，混凝土浇筑完成后，要做好维护工作。

4 结语

总而言之，FRP复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐久性好、环保等特点，可制成板材、型材、棒材等产品替代钢筋，更有效地控制发生和改善路面不同类型的裂缝，从而延长路面的使用寿命，降低后续维护成本。既符合当前的发展趋势，又带来良好的经济效益。然而，FRP复合材料在耐高温和抗剪切方面存在一些缺陷。为了更好地利用FRP复合材料防止道路裂缝，如何克服这些不足仍需进一步研究。