復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

摘要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）是我國土木工程中一類新型結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)也是土木工程傳統(tǒng)材料中的重要補(bǔ)充。本文就土木工程中新型復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)行深入的研究，從而促進(jìn)復(fù)合材料在土木工程中快速的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;土木工程;發(fā)展應(yīng)用

1引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）是近20年來在土木工程中發(fā)展起來的一類新型結(jié)構(gòu)材料，由碳纖維、玻璃纖維、芳綸。玄武巖纖維等高性能纖維與樹脂基體混合，經(jīng)過一定的加工工藝復(fù)合而成，并由此形成了一系列的新型結(jié)構(gòu)技術(shù)。FRP具有輕質(zhì)。高強(qiáng)。施工成型方便。耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸在土木工程中成為混凝土。鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的重要補(bǔ)充，合理地將FRP應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)物中己經(jīng)成為土木工程發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2 FRP復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用

目前常見的纖維種類有玻璃纖維。硼纖維。碳纖維。芳綸纖維。陶瓷纖維（包括碳化硅纖維和氧化鋁纖維）。聚烯烴纖維。PB0（一種高分子有機(jī)材料）纖維以及金屬纖維等;常見的基體有樹脂。金屬。陶瓷和碳素。目前土木工程結(jié)構(gòu)中常用的FRP材料主要是樹脂基體的碳纖維[carbon fiber）。玻璃纖維（（Mass fiber）和芳綸纖維（aramid fiber），分別簡稱為G FRP，CFRP和A FRP，G FRP即通常所說的玻璃鋼。

1942年，美國軍方用GFRP制成雷達(dá)天線罩，這是FRP第一次充當(dāng)結(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)六七十年代，F(xiàn)RP開始應(yīng)用于民用結(jié)構(gòu)。1968年，為防止空氣中氯鹽的侵蝕，英國的土木工程師在利比亞港口城市班加西的一個(gè)貨倉中，試驗(yàn)性的采用GFRP板和鋁質(zhì)骨架組合的墻板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。1970年，在英國利物浦又建成了一座GFRP連續(xù)梁人行天橋，跨徑為10m。

1958年，我國因鋼材短缺，曾探索過用GFRP筋代替鋼筋的研究。20世紀(jì)七八十年代，F(xiàn)RP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與研究逐漸增多。1972年在云南建造了一座直徑為44m的球形CFRP雷達(dá)天線罩。1982年在北京密云建成了跨徑20.7mGFRP簡支蜂窩箱梁公路橋，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽-15。掛-80，并進(jìn)行了現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，這是國際上第一座GFRP公路橋。此后，F(xiàn)RP材料，尤其是價(jià)格比較便宜的GFRP，在工結(jié)構(gòu)程中應(yīng)用的范圍越來越廣。但是這些應(yīng)用大多數(shù)都是附屬性。臨時(shí)性的構(gòu)件，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性能沒有得到充分發(fā)揮，即使用FRP作為結(jié)構(gòu)材料也都是嘗試性的，沒有形成規(guī)模。同時(shí)，多數(shù)的土木結(jié)構(gòu)工程師不了解FRP材料性能和設(shè)計(jì)方法，大大限制了它在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和推廣。

3 FRP復(fù)合材料在土木工程中的實(shí)踐效果

3.1用于結(jié)構(gòu)加固

我國對(duì)FRP加固技術(shù)的研究始于1997年，中冶建筑研究總院有限公司（國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心）于 1997年10月進(jìn)行了國內(nèi)首批外貼碳纖維布加固梁試驗(yàn)。隨后在短短幾年中，外貼FRP片材加固技術(shù)已成為全國土木建筑行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，很快為市場所接受，而市場的擴(kuò)大使材料的成本大幅下降，這為FRP材料在建筑中的應(yīng)用發(fā)展提供了更大的可能，在我國已迅速發(fā)展成為建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的主要技術(shù)。至2012年，國內(nèi)從事FRP試驗(yàn)研究及技術(shù)開發(fā)的科研單位幾十所，用于土木建筑行業(yè)中的碳纖維制品生產(chǎn)銷售的廠家?guī)资畟€(gè)，從事于碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的專業(yè)公司上百個(gè)，已經(jīng)形成了相當(dāng)大的研發(fā)。生產(chǎn)。設(shè)計(jì)。應(yīng)用的社會(huì)群體。

目前FRP材料在土木建筑中的應(yīng)用以加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，加固的形式又以外貼FRP片材為主，但FRP技術(shù)在砌體結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)。木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，以及采用FRP筋材。網(wǎng)格材。預(yù)應(yīng)力FRP片材加固技術(shù)的應(yīng)用已有很多，新的應(yīng)用形式。新的產(chǎn)品。新的規(guī)范規(guī)程的研究正在世界各地廣泛開展。

3.2FRP筋在新建結(jié)構(gòu)中代替鋼筋

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中配置非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼筋，在處于惡劣環(huán)境條件時(shí)，如干濕交替。化學(xué)介質(zhì)等作用下，極易引起鋼筋的腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和適用性，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的降低。相比之下，防腐性能好。粘結(jié)性能與鋼筋相差不多目抗拉強(qiáng)度高的FRP筋成為代替鋼筋的一個(gè)較好選擇。

20世紀(jì)80年代初開始，F(xiàn)RP筋逐漸大量應(yīng)用于有特殊性能要求的結(jié)構(gòu)物中代替鋼筋，如有磁共振醫(yī)療設(shè)備的建筑及海堤。工業(yè)廠房屋面板等受嚴(yán)重化學(xué)侵蝕的結(jié)構(gòu)物中。1985年，美國San Antonio。醫(yī)院大樓的MRI設(shè)備的樁。柱和梁中均采用了GFRP筋。1986年，San Antonio。的大學(xué)建筑中的邊墻和鋼筋混凝土梁中配置了GFRP筋。FRP筋的另一個(gè)應(yīng)用對(duì)象是巖土工程，目前已用于因潮汐變化等干濕交替的擋土墻。地基錨桿及地鐵沉井等工程中。

3.3 FRP結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)

由于FRP材料具有高強(qiáng)。輕質(zhì)。耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益受到工程界的重視。

（1）早期試驗(yàn)性的FRP結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)60年代，英國已開始生產(chǎn)GFRP復(fù)合材料的屋蓋結(jié)構(gòu)，運(yùn)往中東和北非建造使用，1968年一個(gè)采用GFRP夾心板與鋁質(zhì)骨架的圓頂結(jié)構(gòu)建于利比亞Bengazhi;1972年阿聯(lián)酋的Dubai國際機(jī)場，采用GFRP傘狀屋頂。20世紀(jì)70年代及80年代初期，英國的一些建筑采用了GFRP作為除梁柱以外的承重或半承重構(gòu)件。1974年，第一個(gè)全復(fù)合材料建筑在英國Lancashire落成，外形為棱錐體組成的空間結(jié)構(gòu)。早期的FRP結(jié)構(gòu)，大多帶有一定的試驗(yàn)性質(zhì)，尚未在土木工程中形成規(guī)模。

（2）橋梁工程中的FRP結(jié)構(gòu)構(gòu)件

隨著FRP生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品形式的迅速發(fā)展，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)在橋梁工程中得到迅速發(fā)展。英國。瑞土丹麥。日本。美國及中國等國家，均成功建造了一系列全FRP結(jié)構(gòu)的人行天橋。同時(shí)，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用于承受較大反復(fù)動(dòng)載的公路橋梁中。此后不到十年的時(shí)間里，采用FRP橋面板的中小型橋梁在美國已有數(shù)十座。FRP橋面板還被用于替換老化的混凝土橋面板。此外，F(xiàn)RP索還可替代鋼索用于斜拉橋和懸索橋。

4 FRP復(fù)合材料在土木工程中的實(shí)踐展望

眾所周知，F(xiàn)RP作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于土木工程中，其所具備的多種優(yōu)良的特性，也使其成為了應(yīng)用前景較為廣闊的。有待于我么進(jìn)一步探索與研究的材料。由于FRP復(fù)合材料在我國土木工程具體實(shí)踐中應(yīng)用的十年還較短，因此，我們?cè)诤芏喾矫孢€沒有積累出較成熟的經(jīng)驗(yàn)，包括理論和實(shí)踐。在未來一段時(shí)間內(nèi)，不斷的提高FRP材料的性能以及降低其成本造價(jià)，是亟待行業(yè)內(nèi)諸多人共同探索的一個(gè)重要課題，以便利于FRP材料在土木工程中得到越來越多的推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季園園，韓慶華，蘆燕，劉錫良. CFRP在土木工程中的應(yīng)用研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014，10：210-219.

[2] 郭凱. 基于智能材料在土木工程中應(yīng)用的探討[J]. 黑龍江科技信息，2014，06：247.

[3] 馮鵬. 復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2014，09：99-104.

[4] 周劍霞，劉冬梅. 智能材料在土木工程中的應(yīng)用淺析[J]. 科技與企業(yè)，2014，09：216