FRP復合材料特點及其在建筑工業(yè)中的發(fā)展和應用

蔡佳振　劉清山　李世良

摘要：近年來，F(xiàn)RP（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(yōu)缺點國內外的研究發(fā)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(yè)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(jīng)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(yī)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(yōu)勢，應用在建筑工業(yè)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(xiàn)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(xù)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，F(xiàn)RP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(fā)展，其優(yōu)勢被工程界逐漸認可，開始以各種形式活躍于建筑工業(yè)中。本文對FRP的研究和應用現(xiàn)狀作簡要介紹，并探討未來的發(fā)展趨勢，為這種高性能新型材料在我國的發(fā)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(jīng)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(yōu)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(fā)展

FRP在建筑行業(yè)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(jīng)驗。從上個世紀九十年代，F(xiàn)RP的研究應用才在一些特殊建筑工業(yè)領域有了巨大發(fā)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(jīng)濟代價。這些都迫切需要FRP的應用。國外FRP在建筑工業(yè)中的研究和應用歷史已有近50年。20世紀60年代，美國生產(chǎn)出的GFRP筋用于混凝土結構。80年代， 國外發(fā)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(guī)范方面發(fā)達國家給予了相當?shù)闹匾暋＞攀甏瑲W美、日本先后成立FRP委員會，并頒布FRP規(guī)范、指南[3]。這些國家已經(jīng)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(jù)統(tǒng)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(guī)模的應用與開發(fā)是從90年代末。我國FRP發(fā)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(fā)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(fā)展快。但是，CFRP還主要靠進口，F(xiàn)RP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(chǎn)、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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，遠遠滿足不了國民經(jīng)濟的需要。

4.FRP結構加固補強

與傳統(tǒng)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(xiàn)有結構技術，其簡便的施工工藝及優(yōu)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，F(xiàn)RP加固補強技術在歐美、日本等發(fā)達國家迅速發(fā)展。特別是在美國北嶺和日本阪神地震后，F(xiàn)RP加固補強技術更是得到了充分的發(fā)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(fā)已久，但是比較成熟的研究與應用發(fā)生在最近十幾年。FRP的發(fā)展并不是要完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(fā)達國家十分重視FRP的研究開發(fā)工作，并竭力搶占FRP技術領域的制高點。國內FRP的研究發(fā)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(xiàn)狀的簡要介紹，為我國FRP在建筑工業(yè)發(fā)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(xiàn)狀和發(fā)展前景[EB/OL]// 中國交通 ， 2000

[3]中國工程建設標準化協(xié)會編.CECS 146碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)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(qū)，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。