纤维增强塑料筋在土木工程中的应用

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前言：纤维增强塑料筋是增强高性能纤维和基体材料合成树脂构成的复合型材料，受高性能纤维品种多样影响，纤维增强塑料筋种类也较多，例如玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、钢纤维增强复合材料等，其自身物理性能决定，广泛应用于土木工程中，对工程的质量和耐久性的提升具有重要的意义。

一、纤维增强塑料筋的物理性能

纤维增强塑料筋的密度只有钢材的1/7至1/5，所以在设定直径相同的情况下，纤维增强塑料筋质量会明显小于钢筋，而纤维增强塑料筋自身强度在钢筋的10至15倍以上，对纤维增强塑料筋的施工荷载，劳动强度等都会大幅度少于钢筋作业，将其应用于混凝土结构不仅可以减轻自重，降低地震灾害对土木工程的影响，而且有效降低极限跨径作业难度；除此之外，纤维增强塑料筋和混凝土的热膨胀系数极为接近，分别为6-6至10-6摄氏度和7.2-6至10-6摄氏度，由此可见当应用纤维增强塑料筋混凝土结构的土木工程所处地域环境发生变化时，所产生的温度应力并不足以破坏两者的粘结，使其协同作业持续进行，延长其耐久性；而且纤维增强塑料筋属于脆性材料，其应力与应变符合虎克定律，在达到极限抗拉强度前不会发生变形，所以土木工程的质量能够得到保证。

二、纤维增强塑料筋在土木工程中的应用

（一）纤维增强塑料筋在桥梁工程中的应用

桥梁工程建设作为土木工程的重要分支，随着经济的发展和桥梁作用的变化，其使用的材料和工艺也发生着明显的改变，古代由于桥梁的作用限于简单通行，所以多以石料建材为主，坡面的陡度、形式和载重不受严格限制；而近年来随着经济的发展桥梁的作用逐渐扩大，其不仅对载重有了更高水平的要求，而且对跨度、坡面的陡度、形式等也有了明确的要求，钢筋混凝土结构虽在一定程度上提升了桥梁的质量，但随着跨度的逐渐加大和对桥梁使用寿命的要求逐渐提升，其自重过大等缺点逐渐暴露，而纤维增强塑料筋具有普通钢筋所无法比拟的优点，将其应用于桥梁工程中不仅可以满足大跨度桥梁建设的需要，而且对水体腐蚀也有了更强的抵抗，有效的延长了桥梁的使用寿命，提升了桥梁的整体质量，特别是在桥梁主体框架和桥面建设中的应用效果更是明显，在保证桥梁实用性的同时大幅度的缩减了施工成本，目前发达国家都认识到纤维增强塑料筋在桥梁工程中应用的优点，并积极探索推广，例如美国DEL351大桥，其主体只由两块复合材料桥面板组成，不仅质量轻，而且耐久性和实用性都相比过去桥梁更有保障，所以将其应用于桥梁工程对解决钢筋自重问题有重大作用。

（二）纤维增强塑料筋在海洋工程中的应用

地球上海洋面积占总面积的71%左右，随着人们对资源的需求量的增多，对国防巩固的重视，海洋开发已经成为社会发展的必然趋势，所以为实现海洋资源开发和海洋环境修复为目的的土木工程建设数量和规模逐渐增加，如人工岛、码头、海上油田基地、堤坝等，海洋工程已经成为土木工程的重要组成部分，但受到海水侵蚀作用强的影响，即使海洋工程结构不断进行调整，但其防腐问题仍是工程建设的重点和难点，现阶段普遍应用的钢筋混凝土结构工程不仅受到海风中含有的盐粒子的侵蚀，而且受到海水和空气中的氯离子的腐蚀，使其耐久性大幅度缩减，据调查显示我国海洋工程中大部分处于港口、水道位置的钢筋混凝土护岸桩、承载桩、板桩等在海水侵蚀中使用寿命都大幅度低于其标准使用年限，造成较大的经济损失，而将纤维增强塑料筋应用于海洋工程中，凭借其抗腐蚀性能，其使用效果明显优于钢筋混凝土，例如日本Smitomo化工有限公司修建的由大量纤维增强塑料筋建设的码头，其建成后荷载试验显示其使用性能优等，而且预计使用寿命要明显优于在钢筋混凝土外加设混凝土防护墙，满足国际对海洋工程耐久度的要求，由此可见将纤维增强塑料筋应用于海洋工程，对海洋工程的发展具有明显的推动作用，符合社会发展要求。

（三）纤维增强塑料筋在岩土工程中的应用

岩土工程属于土木工程的新兴领域，在近年来工程数量增多、规模扩大的过程中，岩土工程得到了较快的发展，已经成为土木工程的分支种类，而且发展空间广阔，西方发达国家认为岩土工程就是在进行各种建设工程中涉及到岩土、石土方等技术问题的学科，由此可见岩土工程不仅属于土木工程而且对土木工程产生重要的影响，例如土木工程中的岩土工程为尽可能避免工程受到地震、滑坡、泥石流等地质灾害的破坏，需要抗拉强度较高的钢材锚杆固定于岩土锚固之上，但钢材锚杆在外部环境的变化过程中必然会受到腐蚀，而且固定锚杆的水泥也会发生化学反应转化成Ca(OH)2，使用锚杆的最初目的难以实现，不仅加大了工程量，而且工程面临的隐患仍然存在，而将纤维增强塑料筋应用于岩土工程，可以使其对外界的腐蚀抵抗能力增强，使锚杆的使用寿命延长，不仅达到理想的效果，提升了工程对地质灾害的抵抗能力，而且有效的提升了工程整体质量，现阶段纤维增强塑料筋已经凭借其物理性能优势被广泛的应用与岩土工程，效果非常明显。

（四）纤维增强塑料筋在特殊工程中的应用

由于钢材的绝缘和抗磁性能较低，将其应用于非导电和非磁性结构工程中需要经过复杂的设计，其实现的难度非常大，而将具有高绝缘性和非磁性的纤维增强塑料筋应用于这种环境却简单直接，例如军事工程方面应用纤维增强塑料筋作为机场、军用设施防雷达干扰或敏感军用设备测试设施的混凝土墙内，医疗方面应用于医疗保健单位磁共振成像设备工程中；另外，在高寒地区土木工程中应用钢筋混凝土结构不仅维护难度大，而且建设周期长，此时应用纤维增强塑料筋可以有效地提升其耐久性，减少维修费用；除此之外，在温度较高、易发生火灾等地区进行土木工程建设，也可以利用纤维增强塑料筋取代普通钢筋，充分发挥纤维增强塑料筋抗火性和热塑性，使相关土木工程的质量和耐久性得到提升。

结论：

据调查显示近年来钢筋混凝土结构损坏造成的重大事故中，近60%是由钢筋锈蚀引起，所以开发并推广性能优于普通钢筋的新型材料成为土木工程中急需解决的问题，纤维增强塑料筋凭借其物理性能在土木中程中逐渐取代普通钢筋得到推广使用，对土木工程质量的提升起到了推动作用。

作者：平措卓玛 路文斌 单位：西藏大学农牧学院水利土木工程学院