玻璃纤维筋混凝土梁力学性能试验研究

玻璃纤维筋混凝土梁力学性能试验研究

衣晓婧李可新殷月张亚可张智超

衣晓婧李可新殷月张亚可张智超

南京工程学院江苏省南京市江宁区211100

摘要：玻璃纤维筋是一种在建筑材料中具有较优性能的结构材料，目前，国内外十分重视对它的利用、开发，通过对目前存在的资料研究，发现了若将其应用在工程结构中，将会在很大程度上减轻目前普通的钢筋混凝土由于钢筋锈蚀而造成的种种破坏，特别是在某些特殊工程或者腐蚀环境中，玻璃纤维筋已经得到了广泛应用。根据调查研究的结果，结合实际情况，从研究玻璃纤维筋混凝土梁出发，探究玻璃纤维筋的优点对结构设计人员带来的帮助，分析普通混凝土与玻璃纤维筋混凝土的区别与联系、优势与劣势，通过梁的力学性能研究进行推导，完成对比实验。

关键词：普通钢筋混凝土；玻璃纤维筋；力学性能；试验分析

1绪论

1.1研究背景

从钢筋混凝土开始应用于土木工程到现在已经有一百多年了，经历过一代又一代专家学者的探究和创新，普通的钢筋混凝土已经广泛应用于各行各业，在城市发展的推动下，建筑领域得到了空前的提升，这也导致钢筋等材料的大量使用，虽然普通的钢筋混凝土性能在使用初期十分稳定，但随着时间流逝，以钢筋锈蚀为主引发的问题涌现出来，对结构进行再加固就会导致大量钢材的浪费与消耗，虽然目前已经采取了很多方法来降低钢筋锈蚀引发的问题，但是，同时也带来了建筑成本提高、工艺复杂、无法彻底解决等问题。

所以，专家学者开始寻找能够解决这些问题的新型材料，玻璃纤维筋混凝土就这样发展起来，它具有密度小但强度高、易切割、耐腐蚀性高等特点，最重要的是它与混凝土的结合能力很强，玻璃纤维筋与混凝土具有相近的热膨胀系数，即使外部温度条件变化，也不会破坏二者之间的粘结，而且在这样的条件下还能保持共同协作，建筑物的稳定性也会得到保障。

1.2研究意义

普通钢筋混凝土虽然得到了广泛应用，但是钢筋锈蚀这一问题无法得到解决，所以玻璃纤维筋逐渐代替钢筋也成为了解决锈蚀的途径之一。利用玻璃纤维筋制作混凝土梁，与普通钢筋混凝土的力学性能进行对比分析，对于工程应用有重要意义。

2玻璃纤维筋混凝土梁力学试验

2.1试验目的及方法

通过试验了解、观察普通钢筋混凝土梁和纤维筋混凝土梁在受力、变形的过程中表现出来的三个阶段，了解适筋梁的破坏特征，了解两种不同构件正截面的承载力变化、裂缝出现和发展的规律，计算不同类型的构件开裂的极限承载力，通过试验数据对比普通钢筋混凝土和纤维筋混凝土结构的性能差异，了解纤维筋在工程中的应用。

通过混凝土拉拔仪进行试验，将制备好的钢筋混凝土梁构件和纤维筋混凝土梁构件定期养护，确定试验方案、计划，混凝土达到设计强度之后进行试验，尽量保证其他外部条件相同，防止产生外部条件引起的误差，试验之后将二者数据进行对比，得出结论。

2.2结果及分析

构件在试验过程中主要表现为两个阶段：

第一阶段，随着荷载的增加，受压区混凝土应力图形出现曲线形变化，此时，位于受拉区边缘的混凝土拉应变接近最大值，但混凝土并未开裂。第二阶段，混凝土梁开始出现第一条裂缝，在开裂的混凝土截面位置，位于受拉区的混凝土退出工作，此时，受拉区的全部荷载由受拉钢筋承担，若此时出现裂缝，裂缝迅速扩展，在达到一定的裂缝数目和高度之后，趋势明显减慢。弯矩进一步增大，裂缝也开始产生，大多呈现出在裂缝出现初期上升较快，后期减缓的特征，此时梁的变形明显增大。

2.3结论

由于玻璃纤维筋的弹性模量比钢筋低，所以玻璃纤维筋在增强混凝土梁受力过程中产生的挠度效果大于相同强度等级的钢筋混凝土梁，钢筋混凝土梁随着配筋率的上升，受弯构件正截面的承载力变大，最大裂缝宽度相应减小，但是，配筋率的提高对于减小挠度效果不大。

3对比差异

钢筋与不同种类纤维筋性能对比如下表所示：

纤维筋与普通钢筋的性能对比

注：表中数值主要选自论文[1]，部分选自论文[2]，是现在主要使用的几种代表性钢筋及纤维筋，不代表所有的材料。

玻璃纤维筋的密度较钢筋低，这也表明在相同尺寸下，玻璃纤维筋混凝土比钢筋混凝土重量小，减轻了自重在一定程度上提高了建筑物的抗震性、稳定性；玻璃纤维筋强度高，能够承受更大的重量；在现场绑扎中，玻璃纤维筋较钢筋更容易操作，给施工带来了众多方便；面对一些特殊场地的施工，玻璃纤维筋是一种不具磁性的材料，不会在脱磁处理上浪费不必要的时间[3]；玻璃纤维筋的耐腐蚀性高，因此具备了良好的耐久性，不必在后期维修上浪费太多人力、财力，降低成本。但玻璃纤维筋热稳定性较差，需要花费更多时间来提高其耐火性；纤维筋属于脆性材料，在发生破坏之前，不会产生塑性变形。

普通钢筋混凝土的整体性较好，在配比合理的情况下具有较优的抗震、防爆性。但钢筋本身重量过大，对于大跨度的建筑无法应用；抗裂性能差，由于混凝土自身抗拉强度低，所以钢筋混凝土在正常工作时一般带有裂缝，虽然不代表结构会发生破坏，但是长时间下去会影响结构的耐久性。

4工程应用

现在很多建成的大型建筑物都会面临裂缝、钢筋锈蚀的出现，随着裂缝的发展就会出现很多威胁建筑物安全的问题，这就导致很多材料的浪费，随着技术的发展，纤维筋混凝土开始应用于各种工程，主要以基坑工程、地铁工程为主。

在工程中，用玻璃纤维筋代替钢筋可以大幅度减少成本，简化施工程序，提高效率，在一定程度上减小了工程风险，降低了塌方的风险。

5总结

普通钢筋混凝土存在的裂缝、钢筋锈蚀、耐久性下降等问题需要更多新型的材料来解决，这也成为建筑行业近几年研究的热点，在比较了普通钢筋和玻璃纤维筋在混凝土梁中的性能之后，加上对国内外纤维筋研究的实际情况，我们发现玻璃纤维筋解决了上述问题，随着技术的发展，纤维筋逐渐代替钢筋已经成为了发展趋势，玻璃纤维筋凭借着提高工程安全性、方便操作、节约成本等优点，为建筑材料行业带来了更多的经济效益，特别是基坑工程、地铁工程等领域的应用也表明纤维筋的存在优化了普通钢筋混凝土在耐久性、安全性等方面的表现，这对纤维筋的普遍应用做出了较大的贡献，也让建筑材料领域充满了更多的可探索性。

参考文献：

[1]郝多进，王勃，欧进萍.纤维增强塑料筋在土木工程中的应用[J].混凝土.2006.第9期：38-41.

[2]朱虹，钱洋.工程结构用FRP筋的力学性能[J].建筑科学与工程学报.2006.第23卷第9期：26-31.

作者简介：衣晓婧（1998-），女，汉族，山东烟台人，南京工程学院在校本科生，就读方向：城市地下空间工程

项目基金：江苏省大学生实践创新训练计划项目，项目编号：201811276120H