FRP復合材料在工程中的應用及其前景

王建翎

摘?要：鋼結構、鋼筋混凝土結構、木結構、磚石結構在工程中應用廣泛，但各材料存在或自重大，或耐久性不足等缺點，甚至成為工程安全隱患，因而限制了其應用范圍。隨著城市化進程的穩步提升，工程相關產業蓬勃發展，FRP復合材料以其輕質高強，耐腐蝕，彈性性能好，易成型等優勢受到廣大工程建設者的青睞，在工程中發揮著重要作用。以FRP復合材料為研究對象，結合FRP材料性能上的特點，介紹了現階段國內外FRP復合材料應用情況，并展望了其未來的發展，為傳統材料性能上的不足提出新的解決方案。

關鍵詞：復合材料，FRP應用，強度，腐蝕

文章編號：2095-4085（2020）02-0012-03

纖維增強復合物（Fiber Reinforced Polymer）簡稱FRP復合材料，它源自上世紀四十年代，應用于船舶化工、航空航天、機械交通等領域。二十世紀七十年代，FRP復合材料以其密度小，耐腐蝕，抗拉強度高等優點受到工程師們的重視，被應用于橋梁結構及房屋建筑修復與加固。1982年，我國在北京密云采用FRP建成第一座簡支公路橋，阪神地震后FRP常被用于工程加固。

纖維復合材料是把樹脂聚合物（如環氧樹脂、不飽和樹脂、乙烯基酯樹脂等）作為基底材料，高性能的纖維作為增強材料與之膠合凝固，高溫固化并加以擠壓，拉伸成型的新型復合材料，其中纖維是主要受力單元，纖維絲的含量越高，抗拉強度隨之越高，如GFRP抗拉強度達到鋼筋屈服強度的兩倍，但隨著纖維含量的增加，材料的延性會受到影響[1]。按增強材料的材質主要可劃分為CFRP（碳纖維增強復合材料），AFRP（芳綸纖維增強復合材料），GFRP（玻璃纖維增強復合材料），BFRP（玄武巖纖維增強復合材料）等。基于其力學性質，可以將其制成多種材料形式，主要有片材（纖維布和板），棒材（筋材和索材），型材（格柵型、工字型、蜂窩型）。

1?FRP材料優勢

1.1?比強度，比剛度高

FRP型材是輕質高強材料，其密度只有碳素鋼的1/4～1/5，抗拉強度接近碳素鋼，為普通鋼的10倍[2]。因此，FRP型材以其輕質便攜為制造組裝帶來極大的方便，可以在工廠預制生產后運送至施工現場，從而大大降低了運輸成本，滿足現代裝配式建筑對應用材料的需求。同時現場吊裝時因其荷載較小，可以節省安裝人力和時間，提高施工效率。

1.2?耐疲勞（徐變小）

FRP的拉伸性能優良，一般金屬的疲勞強度是抗拉強度的40%～50%，而復合材料的能高達70%～80%。此外纖維含量越高，復合材料的徐變越小，當纖維含量相同時，有CFRP

1.3?減振性能強，安全性好

由于基底材料和纖維之間的阻尼較大，FRP抵抗振動的能力較強。如果上部荷載過大，使構件的承載力超限而導致少量纖維斷裂，會使其應力重新分布并傳遞到未破壞的纖維上去。

1.4?耐化學腐蝕性好

隨著施工技術的不斷改進，人們的施工環境和條件越來越復雜。在酸雨，地下水，河砂海砂密布的地方，鋼筋的銹蝕非常嚴重，而使用FRP制成的型材抵抗化學腐蝕的能力非常好。它不僅適用于酸性，堿性，有機溶劑的環境，還能抵抗海水腐蝕，微生物的作用等，因而FRP應用面廣。

2?FRP復合材料在工程中的應用

2.1?FRP拉伸性能的應用

2.1.1?應用FRP材料代替鋼材與海砂制備混凝土

在沿海地區，修建港口，碼頭，海水鉆井平臺，大型橋梁等工程時往往需要大量使用海砂，而時間一長海砂的使用會對鋼筋混凝土的結構造成腐蝕性破壞，使工程的安全性大大降低，例如浙江、臺灣等地區一度出現海砂屋的現象。

為了解決腐蝕的問題，工程師們將FRP筋與海砂和混凝土混合使用。由于FRP筋耐化學腐蝕性能好，它對富含氯離子的環境極其不敏感，再加上制作過程中對FRP筋的浸制起到一定的保護作用，因此用FRP筋代替鋼筋，既能很好的發揮FRP的抗拉性能，又很好地避免了海中結構因腐蝕性能失效的問題，大大提高了構件的耐久性。其應用方法主要有兩種。

（1）用FRP筋代替縱向受拉鋼筋和箍筋，FRP管代替鋼管，用海砂混凝土代替河砂混凝土，保證了結構的安全性能。

（2）制造沉管或柱時，利用FRP材質制作隔離層，將鋼管與海砂混凝土隔離，避免了海砂混凝土中氯離子對鋼管的銹蝕，延長構件的使用壽命[4]。

2.1.2?用于軟巖隧道的支護系統

FRP抗拉強度較大，常常運用FRP格柵支護系統。使用FRP材料支護，不僅保證了隧道結構的穩定性，而且和其他支護方法相比，大大減小了防護層厚度，施工難度低，保證了支護系統在有限的空間里達到抵抗變形的要求。根據軟巖地質條件的不同，通常分為格柵支護、格柵加鉚釘、格柵加混凝土的復合支護方法。FRP解決了隧道支護中長期應力作用下受壓破壞、支護構件被腐蝕以及支護結構占用大跨度空間的問題[5]。

2.1.3?FRP筋、鋼筋混合配置混凝土結構

FRP筋的重量約為普通鋼筋的1/5，強度為普通鋼筋的6倍，工程中可用于受力筋、預應力筋。傳統的鋼筋混凝土結構通常都是帶裂縫工作的，如果一味的增加保護層厚度，則會造成裂縫寬度過大。這時，若將FRP筋配置于鋼筋外側，利用FRP筋與混凝土之間的穩定滑移性能限制混凝土裂縫的開展，一方面起到了保護鋼筋的作用，另一方面大大減小了混凝土保護層的厚度，提升了鋼筋的效率。同時，傳統結構在應力達到屈服強度以后剛度接近于零，結構屈服以后損傷發展過快，而FRP筋-混凝土結構可顯著控制殘余變形，保證結構的二次剛度，避免了結構因變形過大而無法繼續使用。此外，設計時還應考慮混凝土與FRP筋的粘結強度，以保證二者的共同工作[6]。

2.1.4?建筑物加固補強

結合FRP材料的優點，FRP材料被廣泛應用于混凝土結構的加固當中。目前利用FRP補強加固的方法主要有4種。

（1）利用FRP片對混凝土柱包裹纏繞，這種方法可有效提高混凝土柱的抗拉強度和抗震性能，避免混凝土開裂，提高其剛度。

（2）對于有空間跨度的梁、樓板，常將FRP片粘貼于構件的受拉側，這樣一來有利于提高構件的抗彎能力。這種方法與梁、板的配筋率有關，在老舊房屋加固、震后房屋修復方面得到廣泛使用，還適用于鋼結構、木結構的加固補強。

（3）對于混凝土柱、梁，用FRP片綁扎包裹，外圍再用FRP布纏繞加強，這種方法本質上是前兩種方法的組合，可以大大提高結構的抗剪、抗彎、抗壓能力，缺點就是耗材量較多。

（4）用FRP替代鋼筋或鋼管，適用于對破損梁的加固，通常情況下沿拉應力平行的的方向粘貼纖維附著在結構上。

2.1.5?超大跨輕量化拉索

懸索橋跨越能力大，抗震性能好，輕質美觀，是絕大多數大跨度橋梁的首選。而良好的抗拉強度才能有效保證懸索的承載力。傳統的鋼懸索隨著橋梁跨度的增加，懸索自重占橋梁重量的比例越來越大，導致承擔自身重量的應力越來越大，承擔行車荷載的工作應力顯著減小，鋼懸索承載效率下降嚴重。橋梁跨度越大，使用的鋼懸索自重，尺寸也越大，大大增加了橋梁的施工成本。取而代之，FRP拉索自重小，拉伸性能好，抗疲勞，耐腐蝕，如果用它代替傳統鋼懸索，可以有效解決以上難題?，F階段應用比較普遍的是CFRP材料，抗彎折、抗滑移性能好，但抵抗風荷載的穩定性不足，成本偏高。但如果采用纖維混雜的方法，在不同跨度區域合理布置相應的不同材料FRP拉索，能夠提高斜拉橋的自振效率，提高抗風荷載的能力，滿足靜力性能的設計要求，降低成本[7]。

2.2?FRP耐腐蝕性能的應用

2.2.1?FRP管用作樁柱

對于跨度大的斜拉橋、懸索橋，墩柱、樁基礎長期和水接觸，往往是腐蝕的最嚴重的地方。現階段生產FRP管，并在管中現澆混凝土，利用纖維增強材料的耐化學腐蝕性能，既保證了結構的耐久性，又保證了樁柱的剛度和承載力，同時因其方便、可行大大加快了施工速度。為改善受力性能，還可在FRP管內增設FRP肋，以提高構件的局部穩定性[8]。

2.2.2?電纜支架，疏散平臺

地鐵車站隧道，鐵路山體隧道的管線，構件因潮濕的環境極易被腐蝕，采用纖維增強材料制造鐵路軌枕，電纜支架，地鐵護罩，疏散平臺等，大大提高了其耐久性能，保證了設備的正常使用，避免了零件的銹蝕和各種電化學腐蝕，從而減小了線路檢修維護的工作量[9]。

2.3?FRP耐疲勞性能的應用

2.3.1?FRP-混凝土組合梁

在大跨度，特別是跨海大橋的施工中，FRP因其耐疲勞、抗拉強度大、耐腐蝕，其優越性遠遠大于鋼-混凝土梁，主要由上部的混凝土板承受壓力，下部的FRP梁受拉，兩種材料間通過剪力連接件保證協同工作。

隨著國內外對結構抗疲勞性能的要求越來越高，進一步提升耐疲勞、耐腐蝕性能是FRP創新應用的要求。改善其耐疲勞，耐腐蝕性能與基底材料樹脂和纖維樹脂界面層有直接的關系，一是改用不同于以往的樹脂類型熱塑環氧樹脂，這種樹脂韌性大，二次成型較好。二是涂層處理改善界面性能[10]。

2.3.2?修復管道缺陷

碳纖維增強材料（CFRP）是一種優良的管道補強材料。它彈性模量較高，利用該材料修復的管道不但能保證正常的承載力，而且產生的徐變較小。如今，CFRP可用來修復水泥，塑料，金屬材質的流體運輸管道，所能承受的溫度從-30℃～260℃不等，而且埋地式，跨越式管道均可修復。在修復工藝中，應當注意的是，用按一定比例配置的環氧粘浸膠均勻涂抹在管道缺陷處后，用碳纖維片材包裹纏繞，纏繞過程中不要產生氣泡，用工具滾壓[11]。

相比于焊接、夾具等方法，碳纖維補強施工簡便、風險低，補強效果好，完工以后能使用壽命達到50年以上，節省了后期檢修維護的費用，在陜京輸氣管道，秦京輸油管道，上海東海天然氣西線管道等大型管道工程中得到了應用，此外，它還被應用于北京某燃氣管道凹坑等機械修復當中[12]。

3?FRP材料不足

3.1?抗壓強度，抗剪強度低

FRP型材是各向異性材料，相比于抗拉強度，FRP抗剪強度和抗壓強度遠沒有抗拉強度高，其層間剪切強度主要是由樹脂承擔的，約為抗拉強度的5%～20%，這使得包含FRP型材的節點難以處理。如果采用傳統節點如螺栓節點和膠結節點，常常由于節點破壞使節點失效，失去了傳遞荷載，保證結構整體性的功能，與“強節點弱構件”的原則相悖[13]，不能發揮FRP輕質高強的優勢。

3.2?損傷不能有效進行檢測

老化是材料的普遍現象，FRP也不例外，在化學介質，應力，交變載荷，環境等作用下FRP會產生多種損傷模式，進而強度下降，影響其使用壽命。由于不同損傷模式之間相互誘發和耦合以及FRP應用環境的多變性和復雜性，給FRP剩余強度的評估和使用壽命的預測帶來不便[14]。

3.3?阻燃性差

一般FRP材料臨界溫度在300℃左右，火災環境下容易被點燃，樹脂基體容易軟化，從而使FRP力學性能下降，此外部分樹脂本身有可燃性。為解決此問題， 可選擇添加阻燃劑或者在型材表面增加防火涂層以提高構件的防火性能[15]。

3.4?FRP材料未來發展方向及應用前景

隨著社會和經濟的飛速發展，傳統材料以其不環保、非可持續，自重大等缺點而應用受限，難以滿足工程需求。與之相比，FRP材料具有密度小，耐腐蝕，抗拉強度大，抗疲勞、易于加工和成型等優勢適用于常規及嚴酷，復雜，多變的施工環境。未來，FRP材料將在超高層，大跨度橋梁及房屋的加固與修復工程中，具有廣闊的應用前景。此外，FRP材料也可應用于海洋橋梁施工方，未來可結合建筑物所在海洋環境，進一步深入研究其腐蝕機理和性能提升，從而實現損傷可控，耐久性更強等優點，從而促進輕質高強，抗疲勞，耐腐蝕增強材料的推廣應用。