FRP建筑材料的结构性能及应用

刘君伟

关键词：建筑材料;工程施工;结构性能前言：纤维增强复合材料就是以纤维作为基本物质，以树脂作为基础载体，经过模压、缠绕等方式形成的一种具有较好性能的复合材料。工程中常用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维，在我国建筑工程实际施工过程中，经常使用钢筋水泥和混凝土这些建筑材料由于它们的性能较差，导致建筑工程竣工以后出现后期维护费用高和稳定性差的问题。因此将纤维复合材料应用于目前的建筑工程项目中，可以进一步改善这些传统材料体现出的问题，但是我国应用该材料在建筑工程领域中仍然处于初步探索的阶段，因此为了进一步提高纤维复合材料作为建筑材料的发展，需要对他们的结构性能和分类进行全面系统的了解，从而进一步找出该材料在建筑行业的实际应用方向。

1增强纤维

复合纤维材料中的纤维主要具有抗拉、抗冲击等良好的力学性能此，此外还具有耐腐蚀和耐高温的化学性能，而材料中的基体物质具有传递应力和固定纤维的良好作用，因此这些材料具有独特的优势。通过对增强纤维内部的结构作为主要研究主题，对不同四种类型的增强纤维优异性能进行分析，并对综合性能进行比较，希望给相关工程施工中选择材料，提供一定的科学指导。

1.1碳纤维

碳纤维是采用高温将有机纤维碳化和石墨化制备得来的一种材料，这种材料的含碳量为90%，根据制备前驱物质的不同分为粘胶机沥青机与聚丙烯腈基。其中聚丙烯腈基的基碳纤维具有生产工艺简单和成本低的优点，尤其是在使用过程中该材料显示出良好的综合性能，因此这个材料在使用过程中具有良好的前景。碳纤维的微观结构为乱层石墨结构，碳原子主要以SP2杂化的方式，通过共价键连接沿着纤维长轴的方向，所有的碳原子平行排列为六元环片层结构这样的结构可以促进碳纤维材料的强度和拉伸度。

1.2芳纶纤维

芳纶纤维就是芳香族聚酰胺纤维，这是由芳环与酰胺基团共同交替连接在特定条件下形成的一种高分子聚合物，通常情况下呈黄色，也可以通过染色成其他颜色。按照芳纶纤维内部酰胺键与苯环连接方式以及是否含有杂原子，可以将芳纶纤维分为共聚芳香族聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维以及聚间苯二甲酰间苯二胺纤维。高分子聚合物是大分子物质，这些大分子呈现锯齿状排列的方式，因此分子链具有较好的柔韧性，且弹性和延展性较好。聚对苯二甲酰，对苯二胺纤维分子内部的苯环与酰胺基团之间具有共轭效应的刚性结构，这种结构可以体现较好的硬度。共聚芳香族聚酰胺纤维分子中含有杂环结构，因此比前两种分子的结晶度更低，分子之间的作用力相应加强，因此这种纤维的横向拉伸强度得到进一步提高，可以显示出更好的综合性能。

1.3玻璃纤维

玻璃纤维是通过以石英砂、氧化铝、白云石、硼酸、纯碱等作为制备原材料，通过高温和拉丝等化学工艺制成的一种无机非金属纤维材料。由于玻璃纤维的原材料简单易得成得成本低，制备操作工艺也简单，因此利于实现量产。一些玻璃纤维的化学成分类似玻璃材料，主要成分是氧化硅和氧化铝，根据玻璃纤维的组成性质与用途可以分为E-玻璃纤维、C-玻璃纤维、a-玻璃纤维等许多不同的级别。这些玻璃纤维中最普遍使用的是E-玻璃纤维，在我国的绝热保温和电绝缘领域中具有广泛的应用。玻璃纤维单丝直径小到几微米，每束纤维原丝有数百上千根单丝组成，常规的玻璃纤维呈现白色，且具有较好的透光性。

1.4玄武岩纤维

玄武岩纤维也是一种无机非金属材料，由于原料是玄武岩，因此被称为玄武岩纤维，制备过程是在1500℃的高温下将玄武岩融化后快速拉伸而成。玄武岩属于火山岩，是地球上常见的一种天然矿物质，玄武岩的熔点在1600℃左右，因此拉制而成的玄武岩纤维具有较好的耐高温性，通过与树脂聚合物进行复合后可以回收玄武岩材料进行重复循环利用。玄武岩纤维的原材料是天然玄武岩，原料充足且价格成本低，在生产过程中不需要添加其他试剂，因此在生产过程中的能源损耗较低。纯天然的玄武岩纤维呈现褐色，具有金属光泽，主要结构类似玻璃纤维成分是氧化硅与氧化铝，制备过程绿色环保且质地坚硬，耐磨性好。玄武岩纤维的力学性能超过一般玻璃纤维的30%，具有极好的抗拉强度和耐磨性，使用温度范围较广，低于500℃，不会对玄武纤维产生热证损失900℃时的热震质量损失也非常小。

2纤维增强复合材料

纤维增强复合材料的结构是介于纤维增强体和基体之间过度区域的部分组成的界面，是纤维与基体两相之间互相连接的桥梁，通过基体承受外界加载的力传递给纤维，进一步将应力集中，从而抑制纤维材料的裂纹扩展。从微观结构与物质形态上来看界面与纤维基体之间存在着较大的差异，也是复合纤维材料力学性能最薄弱的地方。因此界面的连接性能会直接影响着复合纤维材料的成型效果和综合性能。一般进行界面结合的方法，有物理和化学两种两种结合类型，不会单独使用，物理结合就是机械结合，通过纤维与基体之间的粗糙表面结构相互吻合，机械连接进一步增加基体与纤维之间界面的嵌合能力。化学结合就是通过纤维与基体之间发生化学反应，以化学键的方式连接纤维与基体的方法化学键具有较好的结合能力，因此相比物理结合方法可以进一步阻止界面区域之间分子的运动，从而使纤维和基体可以牢固稳定的连接在一起。

3作为建材的重点应用

建筑工程领域材料的投入量较大，对材料性能要求也较高，尤其是建筑材料在使用过程中具有周期长的特点，因此建筑材料的性能将会直接与居民居住的舒适性挂钩。复合纤维材料体现出优异的综合性能，也可以使生产成本得到降低，因此近年来在我国的建筑工程领域中得到了广泛的应用和快速发展。复合纤维材料可以在典型产品和构建建筑物的加固，补强和结构材料等方面具有良好的应用，此外，复合纤维材料还具有较好的无磁性、保温、隔声等性能，因此也可以作为新建建筑物的非结构性功能材料使用。复合纤维材料具有优异的承载能力和抗渗性，因此在新建建筑结构材料的使用过程中，可以良好地体现耐化学腐蚀性，尤其是质量轻巧，可以进一步使用再新建建筑的施工过程中从而加强建筑物的功能性。

结论：综上所述，四种常见的纤维材料和复合材料具有独特的微观结构和性能，在力学，电学，声学，光学以及耐腐蚀方面具有较好的综合性能，比传统的钢材水泥和混凝土建筑材料相比，在未来建筑行业发展过程中可以满足更多的需求，因此工作人员需要加强对这种材料的研究，希望未来建筑领域使用复合纤维材料促进建筑行业可持续发展。

参考文献：

1.吴智深、汪昕、吴刚FRP增强工程结构体系，科学出版社，2017.

2.Pour A F，Nguyen GD，Vincent T，et al.Composite Structures，2020，252，1.

3.王彬、李荣、科技导报2018，36（19），6.

4.陈宇飞，郭艳宏，戴亚杰聚合物基复合材料，化学工业出版社，2010.