纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP 的組分對(duì)性能的影響

高 娜

0 引言

鋼材與混凝土一直是土木工程中最重要的，也是應(yīng)用最為廣泛的兩種材料，它們?cè)谕聊竟こ填I(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。然而，鋼筋由于其耐腐蝕性差，在某些特殊環(huán)境中使用時(shí)，會(huì)存在安全隱患。而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP因?yàn)閺?qiáng)度高和耐腐蝕性強(qiáng)，在某些具有抗腐蝕要求的特殊結(jié)構(gòu)中，可以得到很好的使用，同時(shí)在結(jié)構(gòu)加固中也發(fā)揮著重要作用。

FRP可根據(jù)纖維種類(lèi)的不同分為碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP);也可根據(jù)外形不同分為片材、棒材和型材等幾種。復(fù)合材料的性能都取決于它的組成成分，所以FRP的配制要根據(jù)其預(yù)期用途來(lái)確定力學(xué)性能。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)的主要原料及其性能

1． 1 基體:樹(shù)脂

基體的主要作用是給纖維提供橫向支撐，保護(hù)纖維免受周?chē)h(huán)境的物理和化學(xué)腐蝕，同時(shí)可傳遞剪力。在FRP產(chǎn)品中最常使用的樹(shù)脂是不飽和聚酯，環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂。

1．1．1 聚酯

不飽和熱固性聚酯樹(shù)脂現(xiàn)在已成為合成工業(yè)的主流。聚酯主要的優(yōu)勢(shì)是力學(xué)性質(zhì)、電氣性能、化學(xué)性能、尺寸等均穩(wěn)定和易加工。聚酯樹(shù)脂根據(jù)它的用途分為通用性和專(zhuān)用型聚酯樹(shù)脂。專(zhuān)業(yè)性聚酯樹(shù)脂是指有明顯的特性(如電氣絕緣、耐腐蝕性、耐熱性等)的產(chǎn)品，以便使用。

1．1．2 環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧基樹(shù)脂主要優(yōu)勢(shì)是它的低收縮量，F(xiàn)RP中主要被用于混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)產(chǎn)品的基體，這種復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和電氣性能，能夠抵御腐蝕性液體和環(huán)境，尤其是在高溫下也不影響性能的發(fā)揮，同時(shí)還有較大的粘附力，但是環(huán)氧樹(shù)脂沒(méi)有很好的防紫外線能力。

1．1．3 酚醛樹(shù)脂

目前酚醛樹(shù)脂在建筑行業(yè)里還沒(méi)有普及，現(xiàn)在主要被用作粘合劑，但是其復(fù)合材料卻擁有很多理想性能，包括耐高溫性，抗蠕變性，良好的絕緣性和聲阻尼性質(zhì)，抗腐蝕性和良好的耐火性，所以它有很好的發(fā)展前景。

1． 2 增強(qiáng)纖維

纖維可以沿一個(gè)方向提供強(qiáng)度和剛度，在土木工程領(lǐng)域里商業(yè)用途的纖維類(lèi)型是玻璃纖維、碳(或石墨)纖維和芳綸纖維。

1．2．1 纖維單向增強(qiáng)理論

假定下列條件:

1)基體為各向同性均質(zhì)材料;

2)纖維與基體變形協(xié)調(diào)一致，無(wú)相對(duì)滑移和錯(cuò)動(dòng);

3)纖維沿受力方向均勻平行排列。研究如圖1所示復(fù)合體［1］。

圖1 纖維復(fù)合體

由彈性疊加原理得:

又有:

得出:

因?yàn)?

故有:

其中，σ，ρ分別為應(yīng)力，體積率;Fc，F(xiàn)f，F(xiàn)m分別為復(fù)合體，纖維，基體受的力。

根據(jù)材料力學(xué)理論得到，應(yīng)變相同時(shí)，纖維與基體應(yīng)力之比等于彈性模量之比。由此得出，纖維對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度起著重要的作用。

1．2．2 玻璃纖維

在土木工程中主要應(yīng)用的纖維是玻璃纖維，從經(jīng)濟(jì)的角度看它具有很高的性?xún)r(jià)比。商用玻璃纖維的使用類(lèi)型有E型玻璃纖維、高強(qiáng)度的S-2玻璃纖維等等。

通常玻璃纖維是一種良好的抗沖擊纖維，用玻璃纖維制成的復(fù)合材料具有很好的電氣和保溫性能。玻璃纖維還能無(wú)線電頻率輻射，所以用于雷達(dá)天線。

1．2．3 碳纖維

碳纖維按原絲種類(lèi)可分為聚丙烯腈基、瀝青基及酚醛基等。以聚丙烯腈為原絲的碳纖維是土木工程領(lǐng)域中主要的應(yīng)用類(lèi)型，相比玻璃和芳綸，碳纖維應(yīng)力較低，與金屬接觸時(shí)會(huì)電化腐蝕，有很強(qiáng)的抗堿、酸能力，碳纖維不易被樹(shù)脂浸濕，所以一些樹(shù)脂基材料會(huì)進(jìn)行表面處理，如進(jìn)行氣相或液相氧化。

1．2．4 芳綸纖維

芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，在低密度時(shí)能有良好的力學(xué)性能，它的抗拉強(qiáng)度比玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度高，其有很好的絕緣性和抗老化性能，缺點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度差。

表1給出了商業(yè)用途的玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維的基本性能參數(shù)。

表1 商業(yè)用途的玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維的基本性能參數(shù)

2 輔料

2． 1 添加劑

添加劑使復(fù)合材料能滿(mǎn)足不同要求。相比復(fù)合材料的原料來(lái)說(shuō)，添加劑所占的比重是很少的，但是它卻起到很重要的作用:阻裂、防火、防輻射、有粘著性、利脫模、著色。

2． 2 填充料

填料不但降低復(fù)合材料的成本，而且能使纖維和樹(shù)脂材料的性能得到更好的發(fā)揮，例如改善防火、煙等性能，減少?gòu)?fù)合材料板中有機(jī)質(zhì)含量。有充填的樹(shù)脂可在收縮上進(jìn)行一定的阻礙，所以尺寸穩(wěn)定。

常用的填料包括碳酸鈣、粘土、氫氧化鋁以及硫酸鈣，其他的包括云母、長(zhǎng)石、硅灰石、二氧化硅、玻璃球和片狀玻璃。

2． 3 粘合劑

粘合劑是材料與材料、材料與基體(如混凝土)之間的媒介，起連接作用。最常見(jiàn)的粘合劑是丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得到下述結(jié)論:

1)對(duì)于復(fù)合物，任何重要的組成物都會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。基體可改變FRP的物理性能，如剛度、強(qiáng)度、斷裂韌性、導(dǎo)熱導(dǎo)電能力、加工溫度和加工過(guò)程中引起的化學(xué)收縮大小、與纖維的浸漬能力及粘結(jié)力、耐火性能等。在選擇不同基體時(shí)，要以其使用目的為依據(jù)進(jìn)行選擇。

2)針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋發(fā)生腐蝕的情況，采用FRP筋代替鋼筋是很有前景的。

3)采用FRP復(fù)合材料與高強(qiáng)混凝土組合結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，降低成本，減輕自重，提高跨越能力。

［1］ 黃承逵．纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:10-11．

［2］ 王蘭彩．纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)特性［J］．山西建筑，2011，37(8):106-107．

［3］ ACI Committee 440，State of the art report on fiber-reinforced polymer［S］．

［4］ 蔣 程，陳 鵬．FRP材料性能及其改善措施研究［J］．山西建筑，2010，36(27):158-159．