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摘要：FRP作为一种混凝土加固约束材料，具有质量轻、强度高、耐久性好等优点，可以有效改善混凝土柱的力学性能，在工程中应用越来越广泛。本文简要阐述了FRP混凝土柱在力学性能方面的理论研究，从纤维增强复合材料的种类，土木工程应用、前景等三个方面总结了FRP混凝土柱力学性能研究的进展。最后通过和钢管混凝土柱的对比分析，更深入地去研究FRP混凝土柱力学性能的优势，对FRP混凝土柱的进一步研究方向进行补充。
关键词：FRP、混凝土柱、力学性能
0、引言
再生粗骨料的表面不光滑、棱角突出、内部布满微小的裂缝和纹路、孔隙密集等特点，这些特点使得再生混凝土更容易吸水，压碎指标变大，对于搅拌形成的聚合物的力学性能和抗氯离子渗透能力的测量产生很大影响，同时工程应用过程中坍落度的测量值偏大，大大降低了其强度，这限制了再生混凝土特别是完全再生粗骨料再生混凝土的广泛应用。与此同时，钢管混凝土则能够承受较大的荷载，有较好的塑性和韧性，制作和施工方便于实际工程，成本较低等优点，因此能够广泛的应用。然而钢管混凝土柱又有着自重大、耗钢量巨大和抗腐蚀性差的缺点，使得其在应用后期需要投入大量的资金进行防腐，很大程度上限制了钢管混凝土柱的应用[1]。针对上述的不足，FRP作为一种混凝土加固约束材料得到越来越广泛的应用。
1、FRP基本介绍
FRP（Fiber Reinforced Polymer）是由增强纤维和建筑主体作为原材料并通过一定的制作加工处理形成的良好特性的一种新颖材料，既没有损坏原有材料的优越性能，还通过设计材料的组成和含量实现优势互补，从而具备多种不同的优越特性。相较于钢管混凝土柱等传统工程材料，FRP 具备更多的良好特性，包括比强度很高，在极端条件下也不易被腐蚀，设计空间大且灵活。FRP（Fiber Reinforced Polymer），主要分为两大类：合成和天然两种纤维增强复合材料。合成纤维增强复合材料有CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。天然纤维增强复合材料有FFRP和JFRP。这种材料的优势在于质量较小，硬度较大，强度好还具有很强的耐腐蚀性。目前得到广泛应用的主要有GFRP、CFRP和AFRP，从综合性能方面来看，CFRP较好，但造价比较高，并且由于制作技术被国外控制和垄断，需要从国外购买;GFRP在国内应用普及最为广泛，成本低。AFRP有极好的强度和弹性模量，可以抵抗很强的冲击力，但AFRP和GFRP力学性能方面明显不足，耐久性与环保性问题突出[2]。
2、FRP的研究进展
2.1人造合成FRP的研究
人造合成纤维增强复合材料的种类主要有四种：CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。这四种增强纤维可用于结构的修复和加固。AFRP，由芬芳聚酰化合物进行单一方向排序形成的。主要有三种：Kevlar、Twaron、Technora;GFRP的成本较低，可以进行广泛应用，弹性模量较差、易受碱性腐蚀，不能够长期受力，容易开裂。由于上述弊端和不足，学者们设想出一种解决方案，通过提高氧化铝的用量生产出一种高耐碱型的玻璃纤维―AR纤维;CFRP，不同于石墨的六面体结构，碳纤维的石墨微晶结构沿着纤维轴进行择优取向。例如石墨纤维的纤维含碳量大于99%，而当纤维含碳量在80%～95%之间，我们称之为碳纤维。由于碳纤维是各向异性且制造成本比较较高，因此如何进一步减少成本，大规模应用还有待进一步的研究。假设可以解决CFRP的造价成本高这一问题，那么碳纤维的应用价值将会十分可观;BFRP是将在1500℃超高温度作用下，火山岩在熔融状态下，迅速的拉伸制作而成的一种具有连续性的金褐色纤维，可制成具有多种良好特性的BFRP，因而在建筑工程领域应用十分广泛。首先在力学性能方面， BFRP的强度低于高强度碳纤维，但高于玻璃纤维、芳纶纤维这两种纤维的强度。其次BFRP在大部分恶劣的环境下都不易受到腐蚀，尤其是在碱性环境下，自身的化学性能几乎不会受到影响，依旧保持良好的稳定性。这也为 BFRP一混凝土组合结构的实现提供了可能性。再次是BFRP的造价十分低廉，甚至于玻璃纤维的造价相当，为实现FRP的广泛应用创造了契机;在耐热绝缘材料领域也具有一定的价值;此外，玄武岩纤维还有一些其他优势，如温度范围广，绝热隔音，易与树脂结合，材料兼容性能良好等。
2.2天然纤维增强复合材料FRP的研究
天然纤维增强复合材料的种类主要有两种：亚麻纤维（FFRP） 和黄麻纤维（JFRP）。这两种增强纤维主要用于结构的约束。在抗压强度方面，GFRP管与FFRP管对混凝土的约束效果相差不大。但由于天然纤维复合材料与当前生产方法之间低的兼容性，阻止其得到广泛扩散和应用，因此对于如何广泛应用和发展天然纤维增强复合材料仍有待进一步的研究与探索。
2.3 FRP在土木工程中的应用
20世纪60年代，FRP应用于土木工程建设领域。FRP作为筋材的原材料取代腐蚀环境下的普通钢筋或预应力筋。在混凝土柱子的受拉一侧粘贴FRP，能够承受更大的荷载，有效避免裂缝进一步扩大。通过运用FRP对混凝土柱受损部分进行修复加固与普通混凝土柱子采用黏钢进行修复加固明显存在较大的差异，以及如何计算承载力的方法也不尽相同。国内外学者的主攻研究方向在于采用FRP进行修复加固混凝土梁的情况下，抗弯截面性能、破坏变形程度、承受荷载计算、以及FRP加固后混凝土梁的截面变形程度、裂缝开裂情况等方面。此外，一些学者对FRP预应力加固技术在不同负载下的FRP预应力张拉技术、固定端的锚固、损失的预应力及计算荷载、传递界面应力及改善抗疲劳性能等方面进行了一些试验研究和理论分析，并开始了土木工程的实际应用。
3、FRP的应用前景
FRP约束混凝土柱在土木工程中有着广阔的应用前景，而有关其研究和应用的历史尚且不长，人造纤维FRP材料本身也有费用高、耐火性差、不能降解，无法满足绿色与可持续发展要求，但天然纤维具有质量轻、抗拉性能较好、无毒无污染、不损害设备、能耗较低、可降解再生及价格低廉等优点。为了在实际应用中更好地扬长避短，对天然纤维FRP约束混凝土柱的研究是仍然要不断开展和深入。未来研究方向有以下五点：对于FRP约束混凝土柱的应力-应变关系的研究;对天然纤维FRP约束混凝土柱与人造合成纤维FRP约束混凝土柱性能的对比研究;对FRP约束混凝土柱进行数值模拟研究与试验研究相结合;不同种类FRP的混合使用将会成为未来一个新的研究方向;和对于各类新型FRP混凝土组合结构性能的试验研究。
4、结语
总体来看，FRP因其质量较轻、有较好的硬度、强度高、耐腐蚀性等优点，将其作为约束材料制成的FRP约束混凝土柱在土木工程中有着广阔的应用前景。目前关于人造合成纤维FRP的研究国内外都已经比较廣泛，得到了一系列FRP约束作用规律并逐渐形成了一定的理论体系，而关于天然纤维FRP约束混凝土柱的研究较少，混合FRP加固约束有待深入研究。
参考文献
[1] 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2] 吴刚，吴智深，吕志涛等.玄武岩纤维（B）在震后结构加固修复中应用的突出优势.2008年汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集.北京，2008：383-395
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（202111276022Z，202111276116H，202011276001Z）;南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB202109040，TB202109045 ，TZ20200015）
关键词：FRP、混凝土柱、力学性能
0、引言
再生粗骨料的表面不光滑、棱角突出、内部布满微小的裂缝和纹路、孔隙密集等特点，这些特点使得再生混凝土更容易吸水，压碎指标变大，对于搅拌形成的聚合物的力学性能和抗氯离子渗透能力的测量产生很大影响，同时工程应用过程中坍落度的测量值偏大，大大降低了其强度，这限制了再生混凝土特别是完全再生粗骨料再生混凝土的广泛应用。与此同时，钢管混凝土则能够承受较大的荷载，有较好的塑性和韧性，制作和施工方便于实际工程，成本较低等优点，因此能够广泛的应用。然而钢管混凝土柱又有着自重大、耗钢量巨大和抗腐蚀性差的缺点，使得其在应用后期需要投入大量的资金进行防腐，很大程度上限制了钢管混凝土柱的应用[1]。针对上述的不足，FRP作为一种混凝土加固约束材料得到越来越广泛的应用。
1、FRP基本介绍
FRP（Fiber Reinforced Polymer）是由增强纤维和建筑主体作为原材料并通过一定的制作加工处理形成的良好特性的一种新颖材料，既没有损坏原有材料的优越性能，还通过设计材料的组成和含量实现优势互补，从而具备多种不同的优越特性。相较于钢管混凝土柱等传统工程材料，FRP 具备更多的良好特性，包括比强度很高，在极端条件下也不易被腐蚀，设计空间大且灵活。FRP（Fiber Reinforced Polymer），主要分为两大类：合成和天然两种纤维增强复合材料。合成纤维增强复合材料有CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。天然纤维增强复合材料有FFRP和JFRP。这种材料的优势在于质量较小，硬度较大，强度好还具有很强的耐腐蚀性。目前得到广泛应用的主要有GFRP、CFRP和AFRP，从综合性能方面来看，CFRP较好，但造价比较高，并且由于制作技术被国外控制和垄断，需要从国外购买;GFRP在国内应用普及最为广泛，成本低。AFRP有极好的强度和弹性模量，可以抵抗很强的冲击力，但AFRP和GFRP力学性能方面明显不足，耐久性与环保性问题突出[2]。
2、FRP的研究进展
2.1人造合成FRP的研究
人造合成纤维增强复合材料的种类主要有四种：CFRP、GFRP、AFRP和BFRP。这四种增强纤维可用于结构的修复和加固。AFRP，由芬芳聚酰化合物进行单一方向排序形成的。主要有三种：Kevlar、Twaron、Technora;GFRP的成本较低，可以进行广泛应用，弹性模量较差、易受碱性腐蚀，不能够长期受力，容易开裂。由于上述弊端和不足，学者们设想出一种解决方案，通过提高氧化铝的用量生产出一种高耐碱型的玻璃纤维―AR纤维;CFRP，不同于石墨的六面体结构，碳纤维的石墨微晶结构沿着纤维轴进行择优取向。例如石墨纤维的纤维含碳量大于99%，而当纤维含碳量在80%～95%之间，我们称之为碳纤维。由于碳纤维是各向异性且制造成本比较较高，因此如何进一步减少成本，大规模应用还有待进一步的研究。假设可以解决CFRP的造价成本高这一问题，那么碳纤维的应用价值将会十分可观;BFRP是将在1500℃超高温度作用下，火山岩在熔融状态下，迅速的拉伸制作而成的一种具有连续性的金褐色纤维，可制成具有多种良好特性的BFRP，因而在建筑工程领域应用十分广泛。首先在力学性能方面， BFRP的强度低于高强度碳纤维，但高于玻璃纤维、芳纶纤维这两种纤维的强度。其次BFRP在大部分恶劣的环境下都不易受到腐蚀，尤其是在碱性环境下，自身的化学性能几乎不会受到影响，依旧保持良好的稳定性。这也为 BFRP一混凝土组合结构的实现提供了可能性。再次是BFRP的造价十分低廉，甚至于玻璃纤维的造价相当，为实现FRP的广泛应用创造了契机;在耐热绝缘材料领域也具有一定的价值;此外，玄武岩纤维还有一些其他优势，如温度范围广，绝热隔音，易与树脂结合，材料兼容性能良好等。
2.2天然纤维增强复合材料FRP的研究
天然纤维增强复合材料的种类主要有两种：亚麻纤维（FFRP） 和黄麻纤维（JFRP）。这两种增强纤维主要用于结构的约束。在抗压强度方面，GFRP管与FFRP管对混凝土的约束效果相差不大。但由于天然纤维复合材料与当前生产方法之间低的兼容性，阻止其得到广泛扩散和应用，因此对于如何广泛应用和发展天然纤维增强复合材料仍有待进一步的研究与探索。
2.3 FRP在土木工程中的应用
20世纪60年代，FRP应用于土木工程建设领域。FRP作为筋材的原材料取代腐蚀环境下的普通钢筋或预应力筋。在混凝土柱子的受拉一侧粘贴FRP，能够承受更大的荷载，有效避免裂缝进一步扩大。通过运用FRP对混凝土柱受损部分进行修复加固与普通混凝土柱子采用黏钢进行修复加固明显存在较大的差异，以及如何计算承载力的方法也不尽相同。国内外学者的主攻研究方向在于采用FRP进行修复加固混凝土梁的情况下，抗弯截面性能、破坏变形程度、承受荷载计算、以及FRP加固后混凝土梁的截面变形程度、裂缝开裂情况等方面。此外，一些学者对FRP预应力加固技术在不同负载下的FRP预应力张拉技术、固定端的锚固、损失的预应力及计算荷载、传递界面应力及改善抗疲劳性能等方面进行了一些试验研究和理论分析，并开始了土木工程的实际应用。
3、FRP的应用前景
FRP约束混凝土柱在土木工程中有着广阔的应用前景，而有关其研究和应用的历史尚且不长，人造纤维FRP材料本身也有费用高、耐火性差、不能降解，无法满足绿色与可持续发展要求，但天然纤维具有质量轻、抗拉性能较好、无毒无污染、不损害设备、能耗较低、可降解再生及价格低廉等优点。为了在实际应用中更好地扬长避短，对天然纤维FRP约束混凝土柱的研究是仍然要不断开展和深入。未来研究方向有以下五点：对于FRP约束混凝土柱的应力-应变关系的研究;对天然纤维FRP约束混凝土柱与人造合成纤维FRP约束混凝土柱性能的对比研究;对FRP约束混凝土柱进行数值模拟研究与试验研究相结合;不同种类FRP的混合使用将会成为未来一个新的研究方向;和对于各类新型FRP混凝土组合结构性能的试验研究。
4、结语
总体来看，FRP因其质量较轻、有较好的硬度、强度高、耐腐蚀性等优点，将其作为约束材料制成的FRP约束混凝土柱在土木工程中有着广阔的应用前景。目前关于人造合成纤维FRP的研究国内外都已经比较廣泛，得到了一系列FRP约束作用规律并逐渐形成了一定的理论体系，而关于天然纤维FRP约束混凝土柱的研究较少，混合FRP加固约束有待深入研究。
参考文献
[1] 韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2] 吴刚，吴智深，吕志涛等.玄武岩纤维（B）在震后结构加固修复中应用的突出优势.2008年汶川地震建筑震害分析与重建研讨会论文集.北京，2008：383-395
基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（202111276022Z，202111276116H，202011276001Z）;南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB202109040，TB202109045 ，TZ20200015）