FRP復合材料特點及其在建筑工業中的發展和應用

蔡佳振　劉清山　李世良

摘要：近年來，FRP（纖維增強復合材料），一種新型結構材料，由于其輕質、高強、耐腐蝕等獨特性質，越來越引起人們的注意。本文簡要地介紹了FRP在工程領域的優缺點國內外的研究發展情況，著重闡述了FRP在國內結構加固補強方面的應用，通過國內外的介紹，促進我國建筑工業對這一新型高性能材料應用和研究工作的開展。

關鍵詞：纖維增強復合材料；結構材料；結構加固；高性能材料

1.引言

FRP復合材料（fiber reinforced plastic，簡稱FRP），由基體和纖維材料按一定比例混合并經一定工藝復合成的一種高性能新型材料。該材料自20世紀40年代問世以來，在航天、航空、汽車、船舶、醫學、化工和機械等領域被廣泛應用，以其輕質、高強、耐腐蝕等優勢，應用在建筑工業中，并受到工程界的青睞。

常用的FRP主要有碳纖維加勁塑料（CFRP）、玻璃纖維加勁塑料（GFRP）及芳綸纖維加勁塑料（AFRP）三大類。

FRP作為結構材料出現于1942年， 美國軍方手糊的 GFRP 制作雷達天線罩[1]。20世紀50～60年代FRP開始用于民用建筑中。1970年，英國Liverpool建成了一座 GFRP連續梁的人行天橋[2]。這些是文獻記錄較早的FRP應用。

近二十年來，特別是在日本阪神和美國北嶺地震后，FRP在結構加固修復的應用越來越廣。隨著FRP在世界各地的推廣發展，其優勢被工程界逐漸認可，開始以各種形式活躍于建筑工業中。本文對FRP的研究和應用現狀作簡要介紹，并探討未來的發展趨勢，為這種高性能新型材料在我國的發展盡綿薄之力。

2.FRP復合材料特點

（1）質量輕，密度小。FRP筋的密度約是鋼筋的1/6到1/4，對減輕結構自重，減小地震作用有利。（2）抗拉強度高。常用的三種FRP纖維的抗拉強度均明顯超過鋼筋，和高強鋼絲或鋼絞線差不多。（3）耐腐蝕性強。FRP具有鋼筋不可比擬的耐腐蝕性能。FRP代替鋼筋能夠獲得非常可觀的長期經濟效益。（4）電磁絕緣性能佳。可用于某些有電磁絕緣要求的建筑結構中。

以上是FRP材料的優勢，也存在以下的不足：

（5）彈性模量低。FRP筋的彈性模量約是鋼筋的一半，如不施加預應力，在配有FRP筋的結構中較大撓度和裂縫將難免。（6）抗剪強度低。FRP筋的橫向抗剪承載力約是抗拉承載力的10%，容易被剪斷。（7）耐火性能差。FRP中的纖維材料和基體材料都是有機物，決定了FRP較差的耐火性。

3.FRP國內外發展

FRP在建筑行業中的研究應用要遠比其他材料滯后。原因主要有兩方面：①價格較其他建筑材料高許多；②缺少工程經驗。從上個世紀九十年代，FRP的研究應用才在一些特殊建筑工業領域有了巨大發展。

美國在橋梁耐久性能上的不足，英國就海洋對鋼筋混凝土的侵蝕，日本的新干線混凝土大面積開裂，每年都付出巨大的經濟代價。這些都迫切需要FRP的應用。國外FRP在建筑工業中的研究和應用歷史已有近50年。20世紀60年代，美國生產出的GFRP筋用于混凝土結構。80年代， 國外發達國家對FRP用于結構加固方面進行了許多研究，取得了一批成果。90年代，在歐美一些國家，有大量的結構接近設計壽命，如何有效快速進行結構補強成為學術研究的熱點。

在研究與應用規范方面發達國家給予了相當的重視。九十年代，歐美、日本先后成立FRP委員會，并頒布FRP規范、指南[3]。這些國家已經將CFRP廣泛地應用到新建和已建建筑，其他類型的FRP材料也得到了充分的應用。據統計，CFRP每年的用量達到近千噸。

我國上世紀六七十年代開始對FRP進行研究，但是有規模的應用與開發是從90年代末。我國FRP發展速度非常快，在短時間內就形成了研究與應用熱點。清華大學、華僑大學、東南大學等是國內FRP研究的佼佼者，項目研究、論文發表很多。中國土木工程學會于2000年6月成立了FRP委員會，并同時在北京召開我國首屆纖維增強塑料混凝土結構學術交流會。

我國對FRP的研究起步晚，但發展快。但是，CFRP還主要靠進口，FRP主要用于結構加固修復。GFRP技術相對比較成熟，但工程中的應用還很少。AFRP生產、研究、應用幾乎還是一片空白。這些都大大阻礙了FRP在我國建筑產業的發展，遠遠滿足不了國民經濟的需要。

4.FRP結構加固補強

與傳統加固形式形成鮮明對比的是近年來在國際興起的FRP加固現有結構技術，其簡便的施工工藝及優良的加固效果得到土木工程界的普遍贊同。

瑞士在1991年用CFRP板成功地加固了一座橋。此后，FRP加固補強技術在歐美、日本等發達國家迅速發展。特別是在美國北嶺和日本阪神地震后，FRP加固補強技術更是得到了充分的發展運用。我國大陸在1998年之后才開始這方面的研究，并在一些標志性和重要的建筑的維修方面得到了應用。FRP加固補強主要包括以下三種形式：（1） FRP 布纏繞加固混凝土柱， 通過約束混凝土提高混凝土強度和變形能力， 并可提高柱的抗剪能力[4～5]。這是FRP布加固結構最為有效的形式，而且對各種FRP片材均有效。（2） FRP片材粘貼在梁、板受拉面， 提高其抗彎能力，并可使裂縫寬度得到控制。這是國內應用較多的一種加固形式。（3） 對梁、柱構件采用FRP片材包裹或U形箍包裹，提高其抗剪承載力。這種加固形式也較為有效， 不過同樣需注意其提高程度與原構件配箍率有關。

雖然FRP用于結構加固補強技術相對比較成熟，但仍有些問題值得深入研究，主要是界面粘結性與剝離問題，防火問題，疲勞問題，耐久性問題等。

5.結語

FRP開發已久，但是比較成熟的研究與應用發生在最近十幾年。FRP的發展并不是要完全代替傳統的建筑材料-鋼筋混凝土，而是作為一種重要的補充，填補鋼筋混凝土所做不到、難做好的領域。國外發達國家十分重視FRP的研究開發工作，并竭力搶占FRP技術領域的制高點。國內FRP的研究發展速度很快，但主要局限于加固補強方面的研究，其他方面研究還比較滯后。本文通過對FRP復合材料的特點，國內外研究成果，應用技術現狀的簡要介紹，為我國FRP在建筑工業發展盡有限力量，藉此來提升我國土木與建筑的水平。

參考文獻：

[1]沈觀林.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社， 1996

[2]蔡國宏.先進復合材料在橋梁中的應用現狀和發展前景[EB/OL]// 中國交通 ， 2000

[3]中國工程建設標準化協會編.CECS 146碳纖維片材加固混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.1～33

[4]葉列平.碳纖維加固混凝土柱受剪承載力的計算[J].建筑結構學報， 2000， 21（2）：59- 67

[5]趙樹紅， 葉列平.碳纖維布對混凝土柱抗震加固的試驗分析[J].建筑結構， 2001， 31 （12）：17- 19

作者簡介：蔡佳振（1988-），男，漢族，籍貫：河南省商丘市睢陽區，學歷：碩士研究生在讀，單位：河南大學，土木建筑學院，研究方向：結構工程。