張 鑫 代清利 李 偉 張 旭

中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250000

FRP復(fù)合材料主要作用為針對(duì)鋼筋展開處理與加固，以解決鋼筋容易生銹的問題。其中FRP筋強(qiáng)度高、重量輕、防腐性能好，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼筋的諸多缺陷。作為近年來興起的一種新型路面，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)較少。因此，深入研究使用FRP筋替代鋼筋混凝土路面，提高路面質(zhì)量，延長(zhǎng)路面使用壽命，以豐富我國(guó)鋼筋混凝土路面的種類，創(chuàng)新道路路面裂縫處治途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 道路路面裂縫概述

導(dǎo)致道路路面形成裂縫的因素較多，具體可分為以下幾種：

1）溫度裂縫，溫度裂紋大部分為橫向裂紋，少數(shù)為垂直裂紋。路面溫度裂縫的形成主要是混凝土材料的水熱過程造成的?；炷翝仓r(shí)，混凝土?xí)饾u凝固，但在此期間，混凝土?xí)尫懦龃罅繜崃?，需要不斷澆水，以保證混凝土排水過程內(nèi)外的溫差和濕度正常。但一旦平衡被打破，混凝土因高溫而變形，混凝土體積將繼續(xù)增加。內(nèi)部溫度不能快速釋放，導(dǎo)致混凝土中的拉應(yīng)力較大。此外，當(dāng)混凝土路面溫度急劇下降時(shí)，混凝土表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮，內(nèi)部張力和外部壓縮的相互作用，混凝土材料超過極限抗壓強(qiáng)度后，路面會(huì)形成熱裂縫[1]。

2）反射裂縫，道路路面的特點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度高、變形能力小、耐高溫或高濕、易撕裂。當(dāng)基層開裂時(shí)，如果表層與基層的粘結(jié)效果好，表層會(huì)抑制基層，導(dǎo)致基層開裂，瀝青層產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。除了運(yùn)輸荷載引起的應(yīng)力疊加效應(yīng)外，當(dāng)平面層被拉伸或拉伸超過瀝青拉應(yīng)力時(shí)，瀝青層會(huì)在相應(yīng)的基層裂縫底部開裂；如果表面較薄，裂縫可能會(huì)從下向上延伸到表面，形成反射裂縫[2]。

3）荷載裂縫，此類裂縫主要分為水平裂縫，也有部分裂縫分為垂直裂縫。橫向裂縫與路面交通不同，與路面中心線呈垂直角度分布。一些嚴(yán)重的橫向裂縫不僅很大，而且貫穿整條道路。縱向裂縫的分布方向與道路相同。一些由載荷因素引起的縱向裂縫長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米?？v向裂縫不斷擴(kuò)大和延伸，然后與橫向裂縫相交，使道路裂縫成網(wǎng)狀。荷載裂縫主要是由于道路行駛時(shí)間長(zhǎng)，長(zhǎng)期處于荷載條件下，對(duì)路面造成較大的荷載。一旦這種向下拉力的值超過路面的抗拉強(qiáng)度極限，裂縫就會(huì)從路面底部延伸到表面，導(dǎo)致路面荷載出現(xiàn)裂縫。此外，為了從運(yùn)輸中獲取更多利潤(rùn)，一些車輛超載，可能導(dǎo)致道路嚴(yán)重?fù)矶?。此外，大量車輛超載，會(huì)對(duì)路基和路面造成較大壓力，使其無法承受外界和地面拉倒產(chǎn)生的巨大載荷，導(dǎo)致路面開裂[3]。

2 常用FRP復(fù)合材料分析

在水泥混凝土中布置一定數(shù)量的縱橫鋼筋混凝土涂層，以提高混凝土板對(duì)收縮變形的抗裂能力，從而提高普通水泥混凝土路面的抗病性。在交通繁忙、道路排水不暢、道路基礎(chǔ)設(shè)施不穩(wěn)定的情況下，鋼筋混凝土路面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外鋼筋普遍存在易腐蝕鋼筋。腐蝕后，鋼筋的力學(xué)性能下降。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可用性和耐久性的影響，也會(huì)大幅增加道路安全風(fēng)險(xiǎn)。盡管采取適當(dāng)?shù)匿摻罡g控制措施，例如：1)使用保護(hù)材料或外部措施；2)加強(qiáng)對(duì)混凝土本身的保護(hù)。但是，這些措施只能在一定程度上緩解鋼筋的腐蝕，根本無法防止問題的發(fā)生。鋼筋混凝土路面結(jié)構(gòu)損壞的主要原因是鋼筋混凝土腐蝕引起的路面結(jié)構(gòu)過早斷裂，因此，尋找替代鋼筋的新材料成為近年來的主要研究方向。

FRP復(fù)合材料是由纖維基體、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、不飽和聚酯樹脂、拉伸拉伸時(shí)形成的一種新型復(fù)合材料，能夠減少路面修補(bǔ)次數(shù)，密度相對(duì)較低，相對(duì)密度光纖放大器為1.9~2.1g/cm3，重量為1/4，可增加重量，此特點(diǎn)便于運(yùn)輸、施工、安裝等領(lǐng)域的光纖緊固，減輕結(jié)構(gòu)重量。堅(jiān)固耐用，纖維棒不生銹，耐腐蝕，可在惡劣條件或超低溫下使用，可用于鹽堿化、高溫、低溫等特殊工程作業(yè)。

鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)過早開裂是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效的主要原因。人們一直在尋找一種可以在混凝土中替代鋼筋的材料，而FRP復(fù)合材料作為鋼筋的替代材料，國(guó)外已開發(fā)成功。此類材料主要包括CFRP、GFRP和AFRP，在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的前景。GFRP具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)接近混凝土的特點(diǎn)。它可用于制造鋼筋材料，以替代大跨度混凝土砌塊預(yù)制結(jié)構(gòu)，也可加工成包或電纜，用于大型建筑電纜或吊索或路面，以提高道路的質(zhì)量和耐久性。GFRP筋不僅可以代替鋼筋，而且不用擔(dān)心會(huì)生銹。加固時(shí)，它們比鋼筋具有更大的分散性和抗裂性，可以彌補(bǔ)水泥或混凝土制品的重量、韌性弱和抗沖擊性低等問題[4]。

FRP復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于隧道、機(jī)場(chǎng)跑道、停車場(chǎng)、路面等領(lǐng)域，同時(shí)，由于其無磁性，這類材料還廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、科研實(shí)驗(yàn)室、觀測(cè)站等場(chǎng)所。1960年，美國(guó)開始研究用GFRP鋼筋作為混凝土加固材料。然而，由于GFRP材料的低剪切阻力，在實(shí)際應(yīng)用中遇到諸多挫折。1997年，美國(guó)出臺(tái)GFRP性能增強(qiáng)試驗(yàn)規(guī)范及預(yù)應(yīng)力梁疲勞性能等中間結(jié)果。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局隨后的一項(xiàng)研究，包括預(yù)應(yīng)力梁和橋梁的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，于2000年初完成。此后，美國(guó)設(shè)計(jì)并實(shí)施多個(gè)研究和示范項(xiàng)目。例如，2004年2月，佛蒙特州建成該州第一座復(fù)合橋，長(zhǎng)43.9m，寬10.4m。該橋?qū)⒒炷翗蛑械匿摻钐鎿Q為GFRP鋼筋，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。目前，美國(guó)已經(jīng)成立一個(gè)相關(guān)的專業(yè)委員會(huì)（ACI440），為FRP復(fù)合材料及其混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工制定標(biāo)準(zhǔn)，并制定測(cè)試程序。

3 FRP復(fù)合材料在道路路面裂縫處治中的運(yùn)用

3.1 在水泥路面中的運(yùn)用

水泥混凝土基體裂縫的基本形態(tài)由荷載反射裂縫和溫度裂縫組成，由于溫度、載荷等原因，混凝土層在滑動(dòng)縫中不能正常工作。在這種情況下，它可能會(huì)上升或下降，導(dǎo)致裂縫蔓延到瀝青的上層。增加材料的抗彎剛度可以減小面板的彎曲曲率，可以在滑動(dòng)縫中填充FRP纖維，或者可以在混凝土中加入短CFRP纖維來增加混凝土板的強(qiáng)度，增加板的抗彎剛度?；炷涟澹p少混凝土板的彎曲變形。因此，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和承載能力，混凝土層能更好地適應(yīng)荷載和溫度的影響，從而控制裂縫的發(fā)生[5]。

此外，F(xiàn)RP復(fù)合材料還可用于外附裂縫的處理，在實(shí)際應(yīng)用中FRP材料需要與水泥灌漿操作相互結(jié)合，其核心是先用注漿壓力處理混凝土裂縫。溶液凝固后，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和裂紋形狀，選擇不同的材料進(jìn)行FRP和FRP表面的粘接/粘貼。接縫有幾種方法：1)FRP面嵌件固定混凝土。具體可以去除混凝土結(jié)構(gòu)碎屑周圍的裂縫，垂直于裂縫方向的裂縫面上插入1-3層FRP復(fù)合材料，保證裂縫兩側(cè)的FRP筋的錨固長(zhǎng)度固定。2)切割FRP固定槽，將FRP筋插入切割好的適合混凝土結(jié)構(gòu)加固的插入面。具體方法：沿裂縫方向垂直開槽，深度10-20mm，槽寬+2mmFRP筋厚度。應(yīng)清除罐內(nèi)混凝土和灰塵，罐內(nèi)壁和FRP復(fù)合材料應(yīng)完全覆蓋埋入罐內(nèi)的結(jié)構(gòu)膠。FRP復(fù)合材料比其他材料具有更大的切割面積和更大的強(qiáng)度。板條嵌入混凝土中，粘合面積大，小于外接觸面，可防止因尖銳物體而斷裂，與其他材料的表面附著力相比，該構(gòu)件的阻燃性能也更高。

3.2 在瀝青路面中的運(yùn)用

復(fù)合涂層瀝青路面主要產(chǎn)生低溫裂縫和溫度疲勞裂縫。如果提高瀝青路面的抗拉強(qiáng)度，自然會(huì)控制溫度裂縫的寬度和數(shù)量。同等條件下，GFRP材料的強(qiáng)度大于鋼筋，但延展性也更高，混合瀝青的裂縫無法控制；CFRP材料比GFRP材料具有更高的強(qiáng)度。如果在瀝青路面中加入CFRP材料，可能會(huì)降低瀝青的變形量，同時(shí)CFRP材料本身的穩(wěn)定性也較差，即在瀝青路面中加入CFRP材料會(huì)降低。因此，CFRP材料更適用于瀝青路面的裂縫控制。由于瀝青路面施工的技術(shù)限制，可以將CFRP材料制成細(xì)粒板材并添加到瀝青混合料中，這樣即使后期瀝青路面出現(xiàn)裂縫，也可以使用瀝青路面上的CFRP。良好的耐腐蝕性和耐久性，使裂縫的發(fā)展可以得到控制。

3.3 在路面改造中的運(yùn)用

在一些道路裂縫修補(bǔ)工程中，使用FRP復(fù)合材料不僅施工方便，而且對(duì)改善路面荷載作用顯著，耐腐蝕性能高。通常，F(xiàn)RP織物或FRP面板用于增強(qiáng)可彎曲涂層以增加爐前強(qiáng)度。注意，在維護(hù)加固過程中，結(jié)構(gòu)材料可能會(huì)發(fā)生電反應(yīng)，因此必須采取相應(yīng)的預(yù)防措施；此外，F(xiàn)RP材料的彈性模量必須滿足設(shè)計(jì)要求。在一定的腐蝕條件下，F(xiàn)RP筋可以代替普通鋼作為結(jié)構(gòu)鋼，從而提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能。例如，F(xiàn)RP筋可用作鋼筋混凝土涂層的主要支撐鋼筋，在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)RP與混凝土的粘結(jié)是FRP混凝土結(jié)構(gòu)中需要注意的關(guān)鍵問題之一。通常，在拉伸成型過程中，F(xiàn)RP表面需要進(jìn)行特殊的變形或粗加工，以提高FRP與混凝土之間的附著力。加工包括壓花螺紋成型、砂型成型或纖維纏繞。具體來說，影響FRP與混凝土粘結(jié)性能的主要因素包括FRP的變形形態(tài)、混凝土保護(hù)層的厚度、混凝土的強(qiáng)度以及FRP構(gòu)件的直徑和長(zhǎng)度[6]。

3.4 在路面夾層中的運(yùn)用

對(duì)于道路路面而言，瀝青層與混凝土基礎(chǔ)的粘結(jié)應(yīng)力過大或過小，也是瀝青上部出現(xiàn)裂縫的原因。水泥基體和瀝青層之間的層有效地防止反射裂縫。如果中間層要起到增強(qiáng)穩(wěn)定性和增強(qiáng)涂層的作用，制造中間層的材料必須具有高強(qiáng)度和耐高溫性。在混凝土基體和瀝青層之間使用低模量夾層及其良好的抗變形能力，可以改善裂縫對(duì)應(yīng)力集中尖端的影響，有效控制反射裂縫。

目前，應(yīng)力吸收層的厚度一般為1.0cm-2.0cm。粘彈性吸收層的強(qiáng)度和彈性模量很大程度上受材料成分和溫度變化的影響。當(dāng)材料成分一致時(shí)，彈性模量在不同溫度下變化很大。吸收層的模量從200MPa到800MPa不等?？紤]應(yīng)力吸收層厚度的影響，通過對(duì)不同模量的吸收層進(jìn)行分析，當(dāng)吸收膜的比壓降低時(shí)，相同厚度瀝青底部的拉應(yīng)力顯著降低。當(dāng)應(yīng)力吸收模量為200MPa、厚度為1cm時(shí)，瀝青路面的拉應(yīng)力降低0.537MPa，比無吸收層壓力降低85.4%。當(dāng)吸波層壓力模量不變，厚度增加到2cm時(shí)，瀝青路面土的拉應(yīng)力下降到0.32MPa，比吸波層不可鋪設(shè)應(yīng)力低91.3%，因此，安裝應(yīng)力吸收層以降低瀝青底部的拉應(yīng)力是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。同時(shí)，與接近模量的土布相比，應(yīng)力吸收層對(duì)基層瀝青路面的應(yīng)力增加作用更為突出。結(jié)果表明，“應(yīng)力吸收層”遠(yuǎn)優(yōu)于“應(yīng)力吸收層”。六邊形網(wǎng)絡(luò)雖然已經(jīng)在很多現(xiàn)有的項(xiàng)目中得到應(yīng)用，但其有效性已經(jīng)得到證明，在加強(qiáng)方面也存在很多不足，這也是顯而易見的。因此，必須使用復(fù)合材料。FRP復(fù)合材料具有良好的耐用性、高拉伸強(qiáng)度和重量輕，正好符合三明治正常工作所需的特性。因此，F(xiàn)RP復(fù)合材料的層壓效果更為突出。比如現(xiàn)階段常用的玻璃纖維格柵，可以有效解決增強(qiáng)材料的腐蝕問題，有效防止和減緩反射裂縫的發(fā)生，從而延長(zhǎng)路面的使用壽命。

3.5 非結(jié)構(gòu)性安全預(yù)防措施

1）防止干燥、收縮、裂紋的對(duì)策。為了預(yù)防干燥、收縮裂縫，①可以選擇適當(dāng)?shù)牟牧?。選擇收縮率相對(duì)較低的水泥材料，如中低熱水泥或粉煤水泥，以控制水泥用量和水灰比。②混凝土的干燥收縮不易受水灰比的影響。水灰比越大，干燥收縮率越大。因此，在設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，需要盡可能控制水灰比，同時(shí)添加合理量的減水劑來控制配合比。③在街道混凝土技術(shù)施工過程中，應(yīng)控制混凝土配合比，確保用水量低于指示用水量，控制收縮接縫，做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作。固化時(shí)間應(yīng)適當(dāng)控制。在溫度低的情況下，需要延長(zhǎng)絕緣被覆時(shí)間。

2）防止塑性裂紋的對(duì)策。為了避免塑性裂紋，還需要使用通常的硅酸鹽水泥或干燥收縮值比較小、初始強(qiáng)度較高的硅酸鹽水泥。同時(shí)，要適當(dāng)控制水灰比，使用高效減水劑，提高混凝土的可加工性和耐久性，并盡量控制水泥用量和用水量。澆注前，必須澆注基層和模具，確保濕潤(rùn)均勻。使用濕黃麻或榻榻米，在最終拆除前使混凝土保持濕潤(rùn)或使用固化劑使混凝土適當(dāng)固化。施工期間溫度高的情況下，需要遮陽(yáng)和防風(fēng)對(duì)策。

3）防止溫差裂縫的措施。由于溫差裂縫，可以通過提高骨料等級(jí)，使用微粉煤灰或高效減水劑降低混凝土的水化熱來控制水泥的使用。同時(shí)，需要改進(jìn)混凝土攪拌方法，采用二次空氣冷卻技術(shù)控制混凝土澆筑溫度，減少溫差裂縫。另外，需要在混凝土材料中添加適量的添加劑。外加劑應(yīng)具有減水和塑化等功能，提高混凝土性能，控制其流動(dòng)性和保水性。同時(shí)，需要減少水化熱，延緩熱峰的出現(xiàn)?？紤]到建筑環(huán)境的影響，為了控制混凝土的溫升，必須做好防曬和防風(fēng)工作。由于混凝土結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其熱應(yīng)力的影響（混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大，熱應(yīng)力越大），需要采用適當(dāng)?shù)臐仓椒?，合理安排澆筑施工工藝，將澆筑層與砌塊分開，確保散熱效果。在大型混凝土結(jié)構(gòu)中，為了控制混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫度差，需要安裝使用冷氣或冷水冷卻混凝土的適當(dāng)?shù)睦鋮s管。施工前應(yīng)留有溫控接縫。在施工過程中，需要合理控制混凝土的溫度，混凝土澆筑完成后，要做好維護(hù)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，F(xiàn)RP復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐久性好、環(huán)保等特點(diǎn)，可制成板材、型材、棒材等產(chǎn)品替代鋼筋，更有效地控制發(fā)生和改善路面不同類型的裂縫，從而延長(zhǎng)路面的使用壽命，降低后續(xù)維護(hù)成本。既符合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，又帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。然而，F(xiàn)RP復(fù)合材料在耐高溫和抗剪切方面存在一些缺陷。為了更好地利用FRP復(fù)合材料防止道路裂縫，如何克服這些不足仍需進(jìn)一步研究。