纖維增強塑料在公路工程中的研究進展

摘要：隨著我國經濟建設的快速發展，大力推動了公路基礎設施建設的步伐。混凝土、鋼筋混凝土、鋼結構等材料是公路基礎設施建設中的首選材料，已沿用百年以上，整體使用效果較好。這些材料建造的少數公路結構物因材料腐蝕、老化以及施工缺陷，在運營期產生較多早期損害，并且性能恢復施工難度大、維護成本高，嚴重影響了構造物的使用壽命和正常工作。纖維增強塑料（FRP）作為新興土木工程材料，憑借著輕質高強、耐腐蝕以及可設計性強等一系列優點，有效地解決了傳統材料易產生早期損害的問題，近年來廣泛應用于公路工程建設中，使用效果良好。基于此，本篇文章對纖維增強塑料在公路工程中的研究進展進行研究，以供參考。

關鍵詞：纖維增強塑料;公路工程;研究進展

引言

纖維增強樹脂基復合材料（FiberReinforcedPolymerComposite，FRP）由于其高比強度、高比剛度、耐腐蝕、抗疲勞和可設計性等優點，被廣泛應用于航空航天領域。與傳統金屬相比，復合材料結構能夠減重20%～30%。隨著復合材料技術的發展，復合材料在航空結構中的應用已逐漸從襟副翼、方向舵、擾流板和起落架艙門等次承力結構發展到機身、機翼、尾翼和后承壓框等主承力結構，而且其在航空結構中的用量也逐步增加，波音787和空客380的復合材料用量已經達到了50%以上。FRP材料由增強纖維以及基體材料組成，增強纖維主要有玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維等;基體材料為多種樹脂（由于短切纖維增強樹脂基復合材料在高性能結構中使用較少，本文只涉及長纖維增強樹脂基復合材料）。FRP材料具有強度高、質量輕、加工成型性好、抗疲勞性能好等優點，廣泛應用于多個領域中。

1纖維增強樹脂基復合材料

纖維增強復合材料是一種由增強纖維材料與基體材料經過纏繞、模壓或拉擠等多種成型工藝制備而成的復合材料。作為增強材料的纖維，是纖維增強復合材料的主要組成部分，其所用纖維很小，一般直徑在10μm以下，缺陷少且具有較高的強度和模量，是復合材料承受載荷的主要部位。基體材料往往采用具有粘彈性和彈塑性的韌性材料，其可承受較大的應變，并起到結合和保護纖維材料的作用，對維持復合材料結構的整體性和一致性具有重要意義。纖維增強復合材料的比強度高、比剛度大、阻尼性能和抗疲勞性能良好，且可根據需求設計相關材料性能，是直升機領域復合材料制件選用的主要材料。

1.1碳纖維增強樹脂基復合材料

碳纖維是一種纖維狀微晶石墨材料，碳含量基本能達到95%左右。它主要是由有機纖維在惰性氣體保護下，經1300℃～1800℃的高溫碳化及石墨化制得。碳纖維具有高強度、高模量、密度低、無蠕變、非氧化環境下耐高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好、導電導熱性能良好等優異性能，是目前應用最多、最重要的增強材料。其中，與樹脂材料復合而成的碳纖維增強樹脂基復合材料，在現有的結構材料中展現出的綜合性能最優，應用典型代表為碳纖維增強環氧樹脂基復合材料。經多年驗證，環氧樹脂基體具有綜合性能優異、工藝性良好、價格低等諸多優點。

1.2芳綸纖維增強樹脂基復合材料

芳綸纖維是一種新興的高性能合成纖維材料，全名芳香族聚酰胺纖維。芳綸纖維具有優異的耐高溫和抗老化性能，其質量輕而強度高，重量僅為鋼絲的1/5左右，但強度卻可達鋼絲的5～6倍。杜邦公司生產的凱夫拉（Kevlar）纖維就是一種典型的芳綸纖維。

2纖維增強塑料在公路工程中的研究進展

2.1FRP管道的多排應用研究

雙排以及多排的埋地FRP夾砂管涵的應用是一種新的嘗試，避免了路基高程對于管涵敷設的限制，并取得了良好的效果。針對雙排FRP夾砂管替代單排FRP夾砂管的斷面流量、力學性能以及經濟性等多方面的可行性分析表明，雙排FRP夾砂管的各方面均符合應用要求，具備大范圍應用的潛力。仿真研究了雙排及多排埋地FRP夾砂管的力學性能，結果表明涵管間距、填土壓實度以及加載方式對于雙排及多排埋地FRP夾砂管的受力位置與變形特性均有不同程度的影響。在淺埋條件下，雙排FRP夾砂管替代單孔大直徑FRP夾砂管時應采取土工格柵減載、控制雙排管滿足最小間距的工程措施。

2.2FRP管道力學性能的研究

建立FRP夾砂管數值計算模型，分析了管道各項物理參數的改變對于其性能和環剛度的影響。采用MATLAB和ANSYS聯合仿真計算研究了FRP夾砂管的管道層數、纖維體積比、夾砂層厚度、交叉纏繞層體積比以及纏繞角度等參數對于FRP夾砂管的剛度、強度等力學性能的影響規律，在保證FRP夾砂管安全性能的基礎上使其在經濟、結構等方面均得到了較大提升。

3具有發展潛力的纖維增強復合材料

通過對比各種纖維增強復合材料，纖維樹脂基復合材料具有很廣闊的前景。不同作者持有不同的觀點，都論述了自己的研究領域的發展前景，對比之下，可發現這3種纖維復合材料各具特點：（1）纖維增強金屬層合板，同時具有金屬和復合材料纖維的優點，且相較于其他纖維纖維增強金屬層合板，具有綠色無污染、化學穩定性好的特點，是一種十分具有潛力的增強復合材料。（2）纖維/樹脂基復合材料，因在橋梁中的應用有良好的性能，在未來進行大量實驗解決目前問題的前提下具有十分廣闊的前景。（3）纖維聚合物復合材料，目前的研究多用于混凝土的結構強化，針對材料的研究較為缺乏，是現階段3種復合材料中最不成熟的車用材料。在3種纖維增強復合材料中，在對纖維的安全性及疲勞損傷進行進一步深入分析后，纖維樹脂基復合材料具有很廣闊的發展前景。

結束語

近年來，FRP作為一種新型復合材料為公路工程結構帶來了全面革新，通過在涵洞與橋梁建造和維護過程中替換傳統的混凝土、鋼筋等材料，以此來提升涵洞和橋梁的力學性能和耐久性能，取得了較為良好的效果。未來，FRP夾砂管涵的長期性能與結構優化、裝配式橋梁、廢舊FRP材料的回收再利用等方面將是研究的熱點問題。

參考文獻

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[3]呂國玉.碳纖維增強塑料預應力筋錨具的設計研究[D].武漢理工大學，2018.

作者簡介：張志勇 出生年月日：1987年11月28日性別：男民族：漢族籍貫：江蘇省徐州市邳州市職稱：工程師學位：主要研究方向：公路與橋梁。