纤维增强塑料在公路工程中的研究进展

摘要：随着我国经济建设的快速发展，大力推动了公路基础设施建设的步伐。混凝土、钢筋混凝土、钢结构等材料是公路基础设施建设中的首选材料，已沿用百年以上，整体使用效果较好。这些材料建造的少数公路结构物因材料腐蚀、老化以及施工缺陷，在运营期产生较多早期损害，并且性能恢复施工难度大、维护成本高，严重影响了构造物的使用寿命和正常工作。纤维增强塑料（FRP）作为新兴土木工程材料，凭借着轻质高强、耐腐蚀以及可设计性强等一系列优点，有效地解决了传统材料易产生早期损害的问题，近年来广泛应用于公路工程建设中，使用效果良好。基于此，本篇文章对纤维增强塑料在公路工程中的研究进展进行研究，以供参考。

关键词：纤维增强塑料;公路工程;研究进展

引言

纤维增强树脂基复合材料（FiberReinforcedPolymerComposite，FRP）由于其高比强度、高比刚度、耐腐蚀、抗疲劳和可设计性等优点，被广泛应用于航空航天领域。与传统金属相比，复合材料结构能够减重20%～30%。随着复合材料技术的发展，复合材料在航空结构中的应用已逐渐从襟副翼、方向舵、擾流板和起落架舱门等次承力结构发展到机身、机翼、尾翼和后承压框等主承力结构，而且其在航空结构中的用量也逐步增加，波音787和空客380的复合材料用量已经达到了50%以上。FRP材料由增强纤维以及基体材料组成，增强纤维主要有玻璃纤维、碳纤维以及芳纶纤维等;基体材料为多种树脂（由于短切纤维增强树脂基复合材料在高性能结构中使用较少，本文只涉及长纤维增强树脂基复合材料）。FRP材料具有强度高、质量轻、加工成型性好、抗疲劳性能好等优点，广泛应用于多个领域中。

1纤维增强树脂基复合材料

纤维增强复合材料是一种由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等多种成型工艺制备而成的复合材料。作为增强材料的纤维，是纤维增强复合材料的主要组成部分，其所用纤维很小，一般直径在10μm以下，缺陷少且具有较高的强度和模量，是复合材料承受载荷的主要部位。基体材料往往采用具有粘弹性和弹塑性的韧性材料，其可承受较大的应变，并起到结合和保护纤维材料的作用，对维持复合材料结构的整体性和一致性具有重要意义。纤维增强复合材料的比强度高、比刚度大、阻尼性能和抗疲劳性能良好，且可根据需求设计相关材料性能，是直升机领域复合材料制件选用的主要材料。

1.1碳纤维增强树脂基复合材料

碳纤维是一种纤维状微晶石墨材料，碳含量基本能达到95%左右。它主要是由有机纤维在惰性气体保护下，经1300℃～1800℃的高温碳化及石墨化制得。碳纤维具有高强度、高模量、密度低、无蠕变、非氧化环境下耐高温、耐疲劳性好、耐腐蚀性好、导电导热性能良好等优异性能，是目前应用最多、最重要的增强材料。其中，与树脂材料复合而成的碳纤维增强树脂基复合材料，在现有的结构材料中展现出的综合性能最优，应用典型代表为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。经多年验证，环氧树脂基体具有综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点。

1.2芳纶纤维增强树脂基复合材料

芳纶纤维是一种新兴的高性能合成纤维材料，全名芳香族聚酰胺纤维。芳纶纤维具有优异的耐高温和抗老化性能，其质量轻而强度高，重量仅为钢丝的1/5左右，但强度却可达钢丝的5～6倍。杜邦公司生产的凯夫拉（Kevlar）纤维就是一种典型的芳纶纤维。

2纤维增强塑料在公路工程中的研究进展

2.1FRP管道的多排应用研究

双排以及多排的埋地FRP夹砂管涵的应用是一种新的尝试，避免了路基高程对于管涵敷设的限制，并取得了良好的效果。针对双排FRP夹砂管替代单排FRP夹砂管的断面流量、力学性能以及经济性等多方面的可行性分析表明，双排FRP夹砂管的各方面均符合应用要求，具备大范围应用的潜力。仿真研究了双排及多排埋地FRP夹砂管的力学性能，结果表明涵管间距、填土压实度以及加载方式对于双排及多排埋地FRP夹砂管的受力位置与变形特性均有不同程度的影响。在浅埋条件下，双排FRP夹砂管替代单孔大直径FRP夹砂管时应采取土工格栅减载、控制双排管满足最小间距的工程措施。

2.2FRP管道力学性能的研究

建立FRP夹砂管数值计算模型，分析了管道各项物理参数的改变对于其性能和环刚度的影响。采用MATLAB和ANSYS联合仿真计算研究了FRP夹砂管的管道层数、纤维体积比、夹砂层厚度、交叉缠绕层体积比以及缠绕角度等参数对于FRP夹砂管的刚度、强度等力学性能的影响规律，在保证FRP夹砂管安全性能的基础上使其在经济、结构等方面均得到了较大提升。

3具有发展潜力的纤维增强复合材料

通过对比各种纤维增强复合材料，纤维树脂基复合材料具有很广阔的前景。不同作者持有不同的观点，都论述了自己的研究领域的发展前景，对比之下，可发现这3种纤维复合材料各具特点：（1）纤维增强金属层合板，同时具有金属和复合材料纤维的优点，且相较于其他纤维纤维增强金属层合板，具有绿色无污染、化学稳定性好的特点，是一种十分具有潜力的增强复合材料。（2）纤维/树脂基复合材料，因在桥梁中的应用有良好的性能，在未来进行大量实验解决目前问题的前提下具有十分广阔的前景。（3）纤维聚合物复合材料，目前的研究多用于混凝土的结构强化，针对材料的研究较为缺乏，是现阶段3种复合材料中最不成熟的车用材料。在3种纤维增强复合材料中，在对纤维的安全性及疲劳损伤进行进一步深入分析后，纤维树脂基复合材料具有很广阔的发展前景。

结束语

近年来，FRP作为一种新型复合材料为公路工程结构带来了全面革新，通过在涵洞与桥梁建造和维护过程中替换传统的混凝土、钢筋等材料，以此来提升涵洞和桥梁的力学性能和耐久性能，取得了较为良好的效果。未来，FRP夹砂管涵的长期性能与结构优化、装配式桥梁、废旧FRP材料的回收再利用等方面将是研究的热点问题。

参考文献

[1]刘淑艳，崔洪军，张朝阳，薛晓，王清洲.纤维增强塑料在公路工程中的研究进展[J].工程塑料应用，2019，49（10）：153-160.

[2]裴卿.纤维增强塑料锚杆研究[J].公路与汽运，2018（02）：109-112.

[3]吕国玉.碳纤维增强塑料预应力筋锚具的设计研究[D].武汉理工大学，2018.

作者简介：张志勇 出生年月日：1987年11月28日性别：男民族：汉族籍贯：江苏省徐州市邳州市职称：工程师学位：主要研究方向：公路与桥梁。