FRP復合材料及其在土木工程中的應用

王水欽

摘 要：FRP復合材料在土木工程中的應用備受人們關注，這與其自身的特性有密切關系。本文首先描述了復合材料的概念及基本特性，并指出其在土木工程中的應用優勢，討論了FRP復合材料在土木工程中的具體應用表現，并對其應用前景進行了展望。

關鍵詞：FRP復合材料 土木工程 工程應用

隨著人們在土木工程建設中對技術研發力量的不斷投入，新材料與新工藝的產生與應用正持續推動著土木工程的發展。FRP復合材料的誕生與應用同樣為現代土木工程的發展貢獻了力量。FRP復合材料即為加強纖維復合材料，是當前工業界中應用最為廣泛且普遍的復合材料。積極研究FRP復合材料的特性，才能更好地總結FRP復合材料的應用優勢，以便進一步擴大其應用的領域和范圍。

1、復合材料的概念及基本特性

復合材料，是指含兩種及以上材料組合而成的新型材料，且不同組合材料的比例往往不均等。從此概念看，當前客觀存在的大多數事物都屬于復合材料的范疇。具體到土木工程領域，常見的典型復合材料就是施工用混凝土。對現代工業而言，復合材料也被用于統稱經人工制造合成不少于二相合成物質的多元材料，在基本的二相材料中，其中一相應視為加強材料，諸如玻璃、石墨、銅或碳化硅等物質，一般以顆粒或纖維狀態存在；另一相視為基質，諸如高分子、低分子等不同聚合物、熱固性聚合物、金屬以及陶瓷等。復合材料的發展總體上經歷了近80年歷史，初期的復合材料以玻璃纖維復合材料為主，進入20世紀中葉后，工業界開始全面生產和推廣應用復合材料。

2、FRP復合材料在土木工程中的應用優勢

FRP復合材料從研發產生到后期發展應用，其支撐思想就是要將不同材料的特性進行整合，從而能夠在有限的使用量基礎上發揮各類加強材料和基質的不同特性，通過各種材料的有機組合，復合材料既能保持原有各類材料的物化屬性與力學特性，也能夠將各種特性進行有效的集中和增強，如在土木工程中所使用的鋼筋混凝土復合材料，正是有效融合了水泥、砂石、骨料、添加劑、鋼筋組織等不同特性，其中鋼筋能夠在具體的建筑物結構中承受主要的受拉應力，而混凝土材料則能夠承受建筑物結構中的主要受壓應力。有所區別的地方在于，很多FRP復合材料所受應力大部分經由其組成成分中的高強纖維承擔，對于基質材料而言，將發揮傳遞剪力和包裹及保護纖維等作用。大量的事實表明，FRP復合材料正是因為有機融合了不同屬性不同特質的材料，才能整體上發揮出更優越的性能，甚至會超越鋼材等傳統材料構件。總的來看，復合材料的顯著優勢在于具有超高的強度對重量比以及剛度對重量比。因而能夠在航空航天領域應用廣泛，實現質量輕但強度高的特點。與此同時，復合材料具有抗疲勞、抗腐蝕、磁電屏蔽、使用壽命長等優勢。

3、FRP復合材料在土木工程中的具體應用表現

3.1 FRP復合材料加強筋。在具體的土木工程中，FRP加強筋可完全替代傳統工藝中所用普通鋼筋，從而有效解決原有材料的易銹蝕問題。并且由于復合材料的重量較輕并且抗疲勞能力出眾，將在鋼筋結構中取得最佳受力抗性表現。

3.2復雜環境下部結構應用。近年來，常常會出現水邊碼頭區域的建筑結構地下基礎部分性能劣化且抗力衰減的問題，引發人們的持續關注。客觀來分析這些問題，其原因是多方面的，不僅受環境影響較為嚴重，而且在施工技術、材料應用上也多有不足。經過研究實踐，工程師們認為FRP復合材料可成為解決這一問題的重要方法，其在復雜環境下對下部結構的鞏固和支撐作用優勢明顯。可在原有地下基礎上多覆建一層FRP材料，從而有效增加該結構的強度與硬度，且可以將原有結構中的普通鋼筋換為FRP加強筋，可使原有結構可靠性與穩定性得到進一步改進。

3.3 FRP混凝土組合結構。傳統的土木工程中，鋼筋混凝土的施工材料組合能夠確保建筑結構的高強屬性。受此技術應用的啟發，并注重加強對經濟成本與效益等因素的考慮，可適度打造FRP混凝土組合，使之成為富有潛力的可行解決方案。當前，這一方案主要傾向于開展FRP外包混凝土應用，從而創新出諸如鋼管混凝土的新結構。在有關研究中，可利用FRP材料組成外殼，并向內填充混凝土，從而形成混合結構，可替換道橋主梁或主柱并積極支撐FRP橋面板。該結構必然是應用了FRP和混凝土兩種材料的優越性能，體現出強度高、剛度高、重量輕、價格低等，從這點來看，FRP材料的推廣應用還能夠對建筑成本造價形成積極影響。

3.4土木工程大型結構應用。FRP復合材料體現了功能上的多元化，也體現出了施工制造方面的可塑性。在不少建筑結構的施工中，對于抗腐蝕或磁電屏蔽等要求，施工方努力開發應用不同的FRP復合材料，合理開展電磁試驗操作，來優化相關功能的建筑結構。當然，在FRP的應用上也可以整合資源構建感光電路金屬板房間，從而實現土木工程中大型結構的FRP復合材料應用。此方面較為典型的就是美國蘋果公司的電磁干涉實驗室，其為全球首個基于FRP復合材料建造而成的重點實驗室。

4、FRP復合材料在土木工程應用前景展望

隨著生活品質的提升，人們對土木工程的要求愈發嚴格，因而對傳統建筑材料帶來更嚴峻的考驗。FRP復合材料所帶有的輕量化、高強度、耐腐蝕、抗疲勞、功能全面、適用性強、易設計加工等特點，被人們所青睞，因而可應用于各種土木工程建設場景中，如超大跨、超高層、高耐久性建筑、特殊環境工程、永久性工程、結構加固修復、大型工程結構、地下結構、海洋工程等應用方面。從市場需求來看，FRP復合材料的應用前景十分廣闊。

FRP復合材料具有傳統建材無法比擬的優勢，但當前應用并不是要以全面取代的形式來淘汰鋼材與混凝土等傳統材料，而是要與傳統建材之間形成一種互補式的默契，只有新型建材與傳統建材之間共同應用，不斷研究改進，才能整體推動現代土木工程的技術進步。

參考文獻：

[1] 馮鵬.復合材料在土木工程中的發展與應用[J].玻璃鋼/復合材料，2014（9）

[2] 彭祥.淺析FRP復合材料在土木工程中的實踐效果[J].四川水泥，2014（11）

[3] 肖萍.FRP在工程結構加固中的應用[J].福建建材，2014（12）