王建翎

摘?要：鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用廣泛，但各材料存在或自重大，或耐久性不足等缺點(diǎn)，甚至成為工程安全隱患，因而限制了其應(yīng)用范圍。隨著城市化進(jìn)程的穩(wěn)步提升，工程相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，F(xiàn)RP復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕，彈性性能好，易成型等優(yōu)勢(shì)受到廣大工程建設(shè)者的青睞，在工程中發(fā)揮著重要作用。以FRP復(fù)合材料為研究對(duì)象，結(jié)合FRP材料性能上的特點(diǎn)，介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外FRP復(fù)合材料應(yīng)用情況，并展望了其未來的發(fā)展，為傳統(tǒng)材料性能上的不足提出新的解決方案。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料，F(xiàn)RP應(yīng)用，強(qiáng)度，腐蝕

文章編號(hào)：2095-4085（2020）02-0012-03

纖維增強(qiáng)復(fù)合物（Fiber Reinforced Polymer）簡稱FRP復(fù)合材料，它源自上世紀(jì)四十年代，應(yīng)用于船舶化工、航空航天、機(jī)械交通等領(lǐng)域。二十世紀(jì)七十年代，F(xiàn)RP復(fù)合材料以其密度小，耐腐蝕，抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)受到工程師們的重視，被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)及房屋建筑修復(fù)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(fù)合材料是把樹脂聚合物（如環(huán)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)度隨之越高，如GFRP抗拉強(qiáng)度達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度的兩倍，但隨著纖維含量的增加，材料的延性會(huì)受到影響[1]。按增強(qiáng)材料的材質(zhì)主要可劃分為CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料），AFRP（芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料），GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料），BFRP（玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）等?；谄淞W(xué)性質(zhì)，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(yōu)勢(shì)

1.1?比強(qiáng)度，比剛度高

FRP型材是輕質(zhì)高強(qiáng)材料，其密度只有碳素鋼的1/4～1/5，抗拉強(qiáng)度接近碳素鋼，為普通鋼的10倍[2]。因此，F(xiàn)RP型材以其輕質(zhì)便攜為制造組裝帶來極大的方便，可以在工廠預(yù)制生產(chǎn)后運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，從而大大降低了運(yùn)輸成本，滿足現(xiàn)代裝配式建筑對(duì)應(yīng)用材料的需求。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)因其荷載較小，可以節(jié)省安裝人力和時(shí)間，提高施工效率。

1.2?耐疲勞（徐變?。?/p>

FRP的拉伸性能優(yōu)良，一般金屬的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的40%～50%，而復(fù)合材料的能高達(dá)70%～80%。此外纖維含量越高，復(fù)合材料的徐變?cè)叫。?dāng)纖維含量相同時(shí)，有CFRP

1.3?減振性能強(qiáng)，安全性好

由于基底材料和纖維之間的阻尼較大，F(xiàn)RP抵抗振動(dòng)的能力較強(qiáng)。如果上部荷載過大，使構(gòu)件的承載力超限而導(dǎo)致少量纖維斷裂，會(huì)使其應(yīng)力重新分布并傳遞到未破壞的纖維上去。

1.4?耐化學(xué)腐蝕性好

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

2?FRP復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用

2.1?FRP拉伸性能的應(yīng)用

2.1.1?應(yīng)用FRP材料代替鋼材與海砂制備混凝土

在沿海地區(qū)，修建港口，碼頭，海水鉆井平臺(tái)，大型橋梁等工程時(shí)往往需要大量使用海砂，而時(shí)間一長海砂的使用會(huì)對(duì)鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)造成腐蝕性破壞，使工程的安全性大大降低，例如浙江、臺(tái)灣等地區(qū)一度出現(xiàn)海砂屋的現(xiàn)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(xué)腐蝕性能好，它對(duì)富含氯離子的環(huán)境極其不敏感，再加上制作過程中對(duì)FRP筋的浸制起到一定的保護(hù)作用，因此用FRP筋代替鋼筋，既能很好的發(fā)揮FRP的抗拉性能，又很好地避免了海中結(jié)構(gòu)因腐蝕性能失效的問題，大大提高了構(gòu)件的耐久性。其應(yīng)用方法主要有兩種。

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

（2）制造沉管或柱時(shí)，利用FRP材質(zhì)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(duì)鋼管的銹蝕，延長構(gòu)件的使用壽命[4]。

2.1.2?用于軟巖隧道的支護(hù)系統(tǒng)

FRP抗拉強(qiáng)度較大，常常運(yùn)用FRP格柵支護(hù)系統(tǒng)。使用FRP材料支護(hù)，不僅保證了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且和其他支護(hù)方法相比，大大減小了防護(hù)層厚度，施工難度低，保證了支護(hù)系統(tǒng)在有限的空間里達(dá)到抵抗變形的要求。根據(jù)軟巖地質(zhì)條件的不同，通常分為格柵支護(hù)、格柵加鉚釘、格柵加混凝土的復(fù)合支護(hù)方法。FRP解決了隧道支護(hù)中長期應(yīng)力作用下受壓破壞、支護(hù)構(gòu)件被腐蝕以及支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

FRP筋的重量約為普通鋼筋的1/5，強(qiáng)度為普通鋼筋的6倍，工程中可用于受力筋、預(yù)應(yīng)力筋。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常都是帶裂縫工作的，如果一味的增加保護(hù)層厚度，則會(huì)造成裂縫寬度過大。這時(shí)，若將FRP筋配置于鋼筋外側(cè)，利用FRP筋與混凝土之間的穩(wěn)定滑移性能限制混凝土裂縫的開展，一方面起到了保護(hù)鋼筋的作用，另一方面大大減小了混凝土保護(hù)層的厚度，提升了鋼筋的效率。同時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度以后剛度接近于零，結(jié)構(gòu)屈服以后損傷發(fā)展過快，而FRP筋-混凝土結(jié)構(gòu)可顯著控制殘余變形，保證結(jié)構(gòu)的二次剛度，避免了結(jié)構(gòu)因變形過大而無法繼續(xù)使用。此外，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮混凝土與FRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度，以保證二者的共同工作[6]。

2.1.4?建筑物加固補(bǔ)強(qiáng)

結(jié)合FRP材料的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)RP材料被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固當(dāng)中。目前利用FRP補(bǔ)強(qiáng)加固的方法主要有4種。

（1）利用FRP片對(duì)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(qiáng)度和抗震性能，避免混凝土開裂，提高其剛度。

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

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

（4）用FRP替代鋼筋或鋼管，適用于對(duì)破損梁的加固，通常情況下沿拉應(yīng)力平行的的方向粘貼纖維附著在結(jié)構(gòu)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(zhì)美觀，是絕大多數(shù)大跨度橋梁的首選。而良好的抗拉強(qiáng)度才能有效保證懸索的承載力。傳統(tǒng)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(dǎo)致承擔(dān)自身重量的應(yīng)力越來越大，承擔(dān)行車荷載的工作應(yīng)力顯著減小，鋼懸索承載效率下降嚴(yán)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，F(xiàn)RP拉索自重小，拉伸性能好，抗疲勞，耐腐蝕，如果用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼懸索，可以有效解決以上難題。現(xiàn)階段應(yīng)用比較普遍的是CFRP材料，抗彎折、抗滑移性能好，但抵抗風(fēng)荷載的穩(wěn)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(qū)域合理布置相應(yīng)的不同材料FRP拉索，能夠提高斜拉橋的自振效率，提高抗風(fēng)荷載的能力，滿足靜力性能的設(shè)計(jì)要求，降低成本[7]。

2.2?FRP耐腐蝕性能的應(yīng)用

2.2.1?FRP管用作樁柱

對(duì)于跨度大的斜拉橋、懸索橋，墩柱、樁基礎(chǔ)長期和水接觸，往往是腐蝕的最嚴(yán)重的地方?，F(xiàn)階段生產(chǎn)FRP管，并在管中現(xiàn)澆混凝土，利用纖維增強(qiáng)材料的耐化學(xué)腐蝕性能，既保證了結(jié)構(gòu)的耐久性，又保證了樁柱的剛度和承載力，同時(shí)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(nèi)增設(shè)FRP肋，以提高構(gòu)件的局部穩(wěn)定性[8]。

2.2.2?電纜支架，疏散平臺(tái)

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

2.3?FRP耐疲勞性能的應(yīng)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，F(xiàn)RP因其耐疲勞、抗拉強(qiáng)度大、耐腐蝕，其優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xié)同工作。

隨著國內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的要求越來越高，進(jìn)一步提升耐疲勞、耐腐蝕性能是FRP創(chuàng)新應(yīng)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(guān)系，一是改用不同于以往的樹脂類型熱塑環(huán)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(fù)管道缺陷

碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）是一種優(yōu)良的管道補(bǔ)強(qiáng)材料。它彈性模量較高，利用該材料修復(fù)的管道不但能保證正常的承載力，而且產(chǎn)生的徐變較小。如今，CFRP可用來修復(fù)水泥，塑料，金屬材質(zhì)的流體運(yùn)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(fù)。在修復(fù)工藝中，應(yīng)當(dāng)注意的是，用按一定比例配置的環(huán)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(chǎn)生氣泡，用工具滾壓[11]。

相比于焊接、夾具等方法，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)施工簡便、風(fēng)險(xiǎn)低，補(bǔ)強(qiáng)效果好，完工以后能使用壽命達(dá)到50年以上，節(jié)省了后期檢修維護(hù)的費(fèi)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(yīng)用，此外，它還被應(yīng)用于北京某燃?xì)夤艿腊伎拥葯C(jī)械修復(fù)當(dāng)中[12]。

3?FRP材料不足

3.1?抗壓強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度低

FRP型材是各向異性材料，相比于抗拉強(qiáng)度，F(xiàn)RP抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)沒有抗拉強(qiáng)度高，其層間剪切強(qiáng)度主要是由樹脂承擔(dān)的，約為抗拉強(qiáng)度的5%～20%，這使得包含F(xiàn)RP型材的節(jié)點(diǎn)難以處理。如果采用傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)如螺栓節(jié)點(diǎn)和膠結(jié)節(jié)點(diǎn)，常常由于節(jié)點(diǎn)破壞使節(jié)點(diǎn)失效，失去了傳遞荷載，保證結(jié)構(gòu)整體性的功能，與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則相悖[13]，不能發(fā)揮FRP輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3.2?損傷不能有效進(jìn)行檢測(cè)

老化是材料的普遍現(xiàn)象，F(xiàn)RP也不例外，在化學(xué)介質(zhì)，應(yīng)力，交變載荷，環(huán)境等作用下FRP會(huì)產(chǎn)生多種損傷模式，進(jìn)而強(qiáng)度下降，影響其使用壽命。由于不同損傷模式之間相互誘發(fā)和耦合以及FRP應(yīng)用環(huán)境的多變性和復(fù)雜性，給FRP剩余強(qiáng)度的評(píng)估和使用壽命的預(yù)測(cè)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(zāi)環(huán)境下容易被點(diǎn)燃，樹脂基體容易軟化，從而使FRP力學(xué)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(gòu)件的防火性能[15]。

3.4?FRP材料未來發(fā)展方向及應(yīng)用前景

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)材料以其不環(huán)保、非可持續(xù)，自重大等缺點(diǎn)而應(yīng)用受限，難以滿足工程需求。與之相比，F(xiàn)RP材料具有密度小，耐腐蝕，抗拉強(qiáng)度大，抗疲勞、易于加工和成型等優(yōu)勢(shì)適用于常規(guī)及嚴(yán)酷，復(fù)雜，多變的施工環(huán)境。未來，F(xiàn)RP材料將在超高層，大跨度橋梁及房屋的加固與修復(fù)工程中，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，F(xiàn)RP材料也可應(yīng)用于海洋橋梁施工方，未來可結(jié)合建筑物所在海洋環(huán)境，進(jìn)一步深入研究其腐蝕機(jī)理和性能提升，從而實(shí)現(xiàn)損傷可控，耐久性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，從而促進(jìn)輕質(zhì)高強(qiáng)，抗疲勞，耐腐蝕增強(qiáng)材料的推廣應(yīng)用。