FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用分析

+胡矗峰+劉哲銀

摘要：隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，其使用的材料也日益多元化。FRP復(fù)合材料作為其中一種較為重要的材料逐漸在土木工程中受到關(guān)注及推廣。筆者結(jié)合多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)加固型混凝土結(jié)構(gòu)用到FRP復(fù)合材料的工藝及其性能進(jìn)行較為全面的敘述和分析。

關(guān)鍵詞：FRP復(fù)合材料；土木工程；應(yīng)用分析

FRP纖維增強(qiáng)塑料作為一種性能良好的新型復(fù)合材料，具有著抗疲勞強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、比模量高、比強(qiáng)度高以及特殊電磁作用等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)今廣泛地被國(guó)內(nèi)外土木工程設(shè)計(jì)者、研究者所應(yīng)用，主要是針對(duì)新型橋梁結(jié)構(gòu)以及新型建筑物補(bǔ)強(qiáng)加固等方面。在土木工程領(lǐng)域中，一般使用的FRP復(fù)合材料從增強(qiáng)材料來(lái)分主要分為：（1）芳綸纖維復(fù)合材料；（2）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；（3）炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。從材料的狀態(tài)來(lái)分類則分為片材、索材、筋材以及棒材等等。從它們?cè)趯?shí)際土木工程中的應(yīng)用來(lái)看則可以分為如下兩種：（1）FRP片材主要使用在存在結(jié)構(gòu)的加固及修復(fù)工作；（2）FRP筋材、索材、棒材主要使用在增強(qiáng)新建結(jié)構(gòu)中，特別是防腐蝕度及預(yù)應(yīng)力構(gòu)件要求較高的工程結(jié)構(gòu)中，它們可以替代原本的鋼筋材料。

1關(guān)于FRP的兩種類型片材

1.1關(guān)于FRP的柔性片材。FRP的柔性片材具有較多的形式。依據(jù)制作工藝不同可以分為機(jī)織織物、非織造織物以及縫編織物。使用柔性片材浸泡樹(shù)脂，并且貼在結(jié)構(gòu)表層或者包裹表層，能夠針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面加固、修復(fù)，并起到防止劣化以及抗剪、抗彎、抗震、抗壓加固的效果。

1.1.1FRP的機(jī)織織物。它是由大于兩組紗線交織而成，一般編織的方法有緞紋和平紋等結(jié)構(gòu)。加固用單向平紋織物作為一種緯定紋織物，其采用超細(xì)細(xì)沙作為緯紗，并通過(guò)某種方式將經(jīng)紗與緯紗實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。這種單向的平紋織物容易浸泡字浸膠，此外織物不變形、易裁剪、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、方便施工、有利于排除氣泡，尤其是適合土木工程中的結(jié)構(gòu)加固。

1.1.2FRP的非織造織物。FRP的非織造織物是把纖維用化學(xué)、熱或者機(jī)械方式粘接或復(fù)合而成的纖維集合體。通常使用在土木建筑結(jié)構(gòu)加固的非織造織物，包含預(yù)浸料的片材以及網(wǎng)格支撐固定的片材。由于預(yù)浸料片材受到存儲(chǔ)環(huán)境及其存儲(chǔ)時(shí)間的限制，因而市場(chǎng)影響其使用環(huán)境及范圍。此外，需要注意的是網(wǎng)格支撐片材需要進(jìn)行氣泡排除工作。

1.1.3FRP的編織物。FRP的編織物是在編織方法的基礎(chǔ)之上逐步發(fā)展演變形成的。從當(dāng)前來(lái)看，這種織物比較適用在土木工程結(jié)構(gòu)加固中的縫編織物，其中包括單軸向織物、雙軸向織物以及多軸向織物等等。

由于FRP的柔性片材具體制作工藝存在著差異性，所以制成品的力學(xué)特性及其加固使用效果也存在差異，然而它們各有其優(yōu)勢(shì)。例如，機(jī)織織物由于樹(shù)脂浸透性良好、氣泡容易排出、施工便利、性價(jià)比高以及加固效果較好，它已經(jīng)是土木工程中當(dāng)前用量較大的一種材料。在所使用的片材里，單向碳纖維在結(jié)構(gòu)加固中占據(jù)著大多部分，玻璃纖維在防腐及抗壓補(bǔ)強(qiáng)的處理中使用逐漸增加，芳綸纖維片材目前正處于起步，但前景較好。伴隨高性能纖維生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大及其生產(chǎn)成本的降低，結(jié)構(gòu)改善和加固市場(chǎng)的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)抗震、防震作用的增加，高性能纖維片材在混凝土結(jié)構(gòu)加固市場(chǎng)中一定會(huì)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2關(guān)于FRP的剛性板材。在1988年，美國(guó)Philip等人使用了CFRP薄板，將其貼在了混凝土梁底，進(jìn)而完成提升彎承載力的試驗(yàn)，產(chǎn)生了良好的效果。此后，又有很多國(guó)家的工作者陸續(xù)推廣碳纖維板材，將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固中。和織物類的柔性片材比較，F(xiàn)RP的剛性板材擁有著性能良好、施工快捷等優(yōu)勢(shì)。相反，F(xiàn)RP柔性板材由于需要進(jìn)行實(shí)際的裁剪鋪層、浸泡樹(shù)脂以及復(fù)雜的多層疊合，使得復(fù)合材料的離學(xué)校過(guò)大為離散，所剩較少，再加之所用材料量大增，成本上升。對(duì)比中我們發(fā)現(xiàn)，一層碳纖維板材相當(dāng)于6層至8層的碳纖維布，因此材料的利用率較高，實(shí)際施工便捷。

使用結(jié)構(gòu)加固的碳纖維板材加工工藝通常是拉擠辦法。增強(qiáng)纖維通常選擇高強(qiáng)度及高模量的碳纖維，所用樹(shù)脂的基體也是環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧乙烯基脂樹(shù)脂。處于混凝土的結(jié)構(gòu)安全考慮，一般以提升碳纖維板材纖維體積含量的方式進(jìn)行減少其力學(xué)性質(zhì)的變異系數(shù)。

為了使碳纖維板材充分發(fā)揮其良好的力學(xué)特性，使混凝土結(jié)構(gòu)與碳纖維板材起到聯(lián)通作用，因此務(wù)必提升碳纖維板材和混凝土的粘合性能。一般的碳纖維板材表層比較平整有光澤，減少了混凝土與板材間的粘合度，與此同時(shí)，樹(shù)脂配法力的脫模劑也會(huì)隨之減少混凝土與板材間的粘合度。針對(duì)上述狀況，國(guó)外一般進(jìn)行控制脫模劑用量以及應(yīng)用前的二次處理，然而這樣會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)存在著負(fù)面影響，也同時(shí)增加了處理的工作量，也帶來(lái)環(huán)境污染的后果。我國(guó)玻璃纖維研究院使用纖維恒張力控制以及專用脫模劑技術(shù)等制作出來(lái)的板材具有著諸多優(yōu)點(diǎn)。

2關(guān)于FRP的筋材

2.1FRP筋材的類別以及成型工藝。一般較為常見(jiàn)的FRP筋材有：GFRP筋材、CFRP筋材以及AFRP筋材。在FRP筋材中纖維占的比重在60%至70%之間，余下部分為基體樹(shù)脂。

使用不同加工方式，生產(chǎn)出來(lái)的FRP類型就有所不同。一般制備的方式有：編制類、繩索類、拉擠類、混合類。編織類是把纖維束浸膠，再使用編織機(jī)編成辮狀，最后固化成型；繩索類是把纖維束浸泡后，使用制繩方法制成繩索狀，最終將其固化；拉擠類是把纖維束浸膠，然后加熱成形，最后使之受力成形；混合類則是將上述類型合并使用。

2.2FRP筋材的性能。基于FRP筋材存在著價(jià)格優(yōu)勢(shì)、便于安裝、經(jīng)久耐用等眾多特點(diǎn)，一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行大量分析、研究、開(kāi)發(fā)，因此目前其形式已日益多元化，不但可以作為鋼筋材料的替代物，應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)、擋風(fēng)墻等工程中，而且也將其作為預(yù)應(yīng)力筋材、斜拉橋的拉索等大量使用在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的懸索橋及斜拉鎖中。

3關(guān)于FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用

3.1FRP的具體應(yīng)用。FRP復(fù)合材料因其具有輕質(zhì)較高及耐腐蝕等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用土木工程的現(xiàn)場(chǎng)中，例如，板、柱、梁的結(jié)構(gòu)加固，尤其是這種復(fù)合材料極為適合應(yīng)用在腐蝕性較強(qiáng)環(huán)境中。臨海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，在冬季時(shí)經(jīng)常要進(jìn)行撒鹽除雪的混凝土路面、橋面板、防護(hù)墻等也較為適合應(yīng)用FRP復(fù)合材料。

由于FRP復(fù)合材料具有抗磁性，可以將其應(yīng)用到無(wú)磁性的建筑物中。CFRP布置的光纖傳感器，能夠進(jìn)行長(zhǎng)期地監(jiān)控橋梁等建筑的使用狀況。

3.2FRP應(yīng)用的注意事項(xiàng)。與鋼材等材料比較，F(xiàn)RP嚴(yán)重缺少延性。FRP在垂直纖維方向大部分依靠基體樹(shù)脂的性能，因此異性將影響到它的剪切強(qiáng)度、壓縮性能以及粘結(jié)性能。FRP相比于鋼材具有較低的彈性模量，因此需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)的控制。

4結(jié)語(yǔ)

FRP是一種用于土木工程加固結(jié)構(gòu)、增加性能的復(fù)合材料，其自身存在的諸多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了世界各國(guó)專家的認(rèn)可，也成為了各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題。此外，F(xiàn)RP作為一種新型復(fù)合材料在土木工程中使用的時(shí)間并不長(zhǎng)，特別是我國(guó)正處于應(yīng)用的起步階段，因此務(wù)必要加強(qiáng)這一方面的研究，使其最終服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙謙.FRP在土木工程的應(yīng)用基礎(chǔ)研究-高性能纖維制品的研究[J].自然科學(xué)基金項(xiàng)目驗(yàn)收資料,2002(2).

[2] 羅益峰.混凝土補(bǔ)強(qiáng)、補(bǔ)修用高性能纖維[J].增強(qiáng)材料（FRP）混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)探討,2000(6):41.