FRP复合材料及其在土木工程中的应用分析

+胡矗峰+刘哲银

摘要：随着建筑行业的不断发展，其使用的材料也日益多元化。FRP复合材料作为其中一种较为重要的材料逐渐在土木工程中受到关注及推广。笔者结合多年实际工作经验，针对加固型混凝土结构用到FRP复合材料的工艺及其性能进行较为全面的叙述和分析。

关键词：FRP复合材料；土木工程；应用分析

FRP纤维增强塑料作为一种性能良好的新型复合材料，具有着抗疲劳强、尺寸稳定、可设计性强、比模量高、比强度高以及特殊电磁作用等优势，现今广泛地被国内外土木工程设计者、研究者所应用，主要是针对新型桥梁结构以及新型建筑物补强加固等方面。在土木工程领域中，一般使用的FRP复合材料从增强材料来分主要分为：（1）芳纶纤维复合材料；（2）玻璃纤维增强复合材料；（3）炭纤维增强复合材料。从材料的状态来分类则分为片材、索材、筋材以及棒材等等。从它们在实际土木工程中的应用来看则可以分为如下两种：（1）FRP片材主要使用在存在结构的加固及修复工作；（2）FRP筋材、索材、棒材主要使用在增强新建结构中，特别是防腐蚀度及预应力构件要求较高的工程结构中，它们可以替代原本的钢筋材料。

1关于FRP的两种类型片材

1.1关于FRP的柔性片材。FRP的柔性片材具有较多的形式。依据制作工艺不同可以分为机织织物、非织造织物以及缝编织物。使用柔性片材浸泡树脂，并且贴在结构表层或者包裹表层，能够针对结构进行全面加固、修复，并起到防止劣化以及抗剪、抗弯、抗震、抗压加固的效果。

1.1.1FRP的机织织物。它是由大于两组纱线交织而成，一般编织的方法有缎纹和平纹等结构。加固用单向平纹织物作为一种纬定纹织物，其采用超细细沙作为纬纱，并通过某种方式将经纱与纬纱实现粘结。这种单向的平纹织物容易浸泡字浸胶，此外织物不变形、易裁剪、结构稳定、方便施工、有利于排除气泡，尤其是适合土木工程中的结构加固。

1.1.2FRP的非织造织物。FRP的非织造织物是把纤维用化学、热或者机械方式粘接或复合而成的纤维集合体。通常使用在土木建筑结构加固的非织造织物，包含预浸料的片材以及网格支撑固定的片材。由于预浸料片材受到存储环境及其存储时间的限制，因而市场影响其使用环境及范围。此外，需要注意的是网格支撑片材需要进行气泡排除工作。

1.1.3FRP的编织物。FRP的编织物是在编织方法的基础之上逐步发展演变形成的。从当前来看，这种织物比较适用在土木工程结构加固中的缝编织物，其中包括单轴向织物、双轴向织物以及多轴向织物等等。

由于FRP的柔性片材具体制作工艺存在着差异性，所以制成品的力学特性及其加固使用效果也存在差异，然而它们各有其优势。例如，机织织物由于树脂浸透性良好、气泡容易排出、施工便利、性价比高以及加固效果较好，它已经是土木工程中当前用量较大的一种材料。在所使用的片材里，单向碳纤维在结构加固中占据着大多部分，玻璃纤维在防腐及抗压补强的处理中使用逐渐增加，芳纶纤维片材目前正处于起步，但前景较好。伴随高性能纤维生产规模的逐步扩大及其生产成本的降低，结构改善和加固市场的发展，混凝土结构抗震、防震作用的增加，高性能纤维片材在混凝土结构加固市场中一定会具有巨大的发展潜力。

1.2关于FRP的刚性板材。在1988年，美国Philip等人使用了CFRP薄板，将其贴在了混凝土梁底，进而完成提升弯承载力的试验，产生了良好的效果。此后，又有很多国家的工作者陆续推广碳纤维板材，将其应用于混凝土结构加固中。和织物类的柔性片材比较，FRP的刚性板材拥有着性能良好、施工快捷等优势。相反，FRP柔性板材由于需要进行实际的裁剪铺层、浸泡树脂以及复杂的多层叠合，使得复合材料的离学校过大为离散，所剩较少，再加之所用材料量大增，成本上升。对比中我们发现，一层碳纤维板材相当于6层至8层的碳纤维布，因此材料的利用率较高，实际施工便捷。

使用结构加固的碳纤维板材加工工艺通常是拉挤办法。增强纤维通常选择高强度及高模量的碳纤维，所用树脂的基体也是环氧树脂或环氧乙烯基脂树脂。处于混凝土的结构安全考虑，一般以提升碳纤维板材纤维体积含量的方式进行减少其力学性质的变异系数。

为了使碳纤维板材充分发挥其良好的力学特性，使混凝土结构与碳纤维板材起到联通作用，因此务必提升碳纤维板材和混凝土的粘合性能。一般的碳纤维板材表层比较平整有光泽，减少了混凝土与板材间的粘合度，与此同时，树脂配法力的脱模剂也会随之减少混凝土与板材间的粘合度。针对上述状况，国外一般进行控制脱模剂用量以及应用前的二次处理，然而这样会导致生产存在着负面影响，也同时增加了处理的工作量，也带来环境污染的后果。我国玻璃纤维研究院使用纤维恒张力控制以及专用脱模剂技术等制作出来的板材具有着诸多优点。

2关于FRP的筋材

2.1FRP筋材的类别以及成型工艺。一般较为常见的FRP筋材有：GFRP筋材、CFRP筋材以及AFRP筋材。在FRP筋材中纤维占的比重在60%至70%之间，余下部分为基体树脂。

使用不同加工方式，生产出来的FRP类型就有所不同。一般制备的方式有：编制类、绳索类、拉挤类、混合类。编织类是把纤维束浸胶，再使用编织机编成辫状，最后固化成型；绳索类是把纤维束浸泡后，使用制绳方法制成绳索状，最终将其固化；拉挤类是把纤维束浸胶，然后加热成形，最后使之受力成形；混合类则是将上述类型合并使用。

2.2FRP筋材的性能。基于FRP筋材存在着价格优势、便于安装、经久耐用等众多特点，一些西方发达国家已经对其进行大量分析、研究、开发，因此目前其形式已日益多元化，不但可以作为钢筋材料的替代物，应用在混凝土结构、挡风墙等工程中，而且也将其作为预应力筋材、斜拉桥的拉索等大量使用在预应力混凝土桥梁的悬索桥及斜拉锁中。

3关于FRP复合材料在土木工程中的应用

3.1FRP的具体应用。FRP复合材料因其具有轻质较高及耐腐蚀等特点被广泛应用土木工程的现场中，例如，板、柱、梁的结构加固，尤其是这种复合材料极为适合应用在腐蚀性较强环境中。临海地区的混凝土结构，在冬季时经常要进行撒盐除雪的混凝土路面、桥面板、防护墙等也较为适合应用FRP复合材料。

由于FRP复合材料具有抗磁性，可以将其应用到无磁性的建筑物中。CFRP布置的光纤传感器，能够进行长期地监控桥梁等建筑的使用状况。

3.2FRP应用的注意事项。与钢材等材料比较，FRP严重缺少延性。FRP在垂直纤维方向大部分依靠基体树脂的性能，因此异性将影响到它的剪切强度、压缩性能以及粘结性能。FRP相比于钢材具有较低的弹性模量，因此需要加强设计的控制。

4结语

FRP是一种用于土木工程加固结构、增加性能的复合材料，其自身存在的诸多优势已经得到了世界各国专家的认可，也成为了各国争相研究的热点课题。此外，FRP作为一种新型复合材料在土木工程中使用的时间并不长，特别是我国正处于应用的起步阶段，因此务必要加强这一方面的研究，使其最终服务于社会生产。

参考文献

[1] 赵谦.FRP在土木工程的应用基础研究-高性能纤维制品的研究[J].自然科学基金项目验收资料,2002(2).

[2] 罗益峰.混凝土补强、补修用高性能纤维[J].增强材料（FRP）混凝土结构技术探讨,2000(6):41.