FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用

王水欽

摘 要：FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用備受人們關(guān)注，這與其自身的特性有密切關(guān)系。本文首先描述了復(fù)合材料的概念及基本特性，并指出其在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢，討論了FRP復(fù)合材料在土木工程中的具體應(yīng)用表現(xiàn)，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：FRP復(fù)合材料 土木工程 工程應(yīng)用

隨著人們?cè)谕聊竟こ探ㄔO(shè)中對(duì)技術(shù)研發(fā)力量的不斷投入，新材料與新工藝的產(chǎn)生與應(yīng)用正持續(xù)推動(dòng)著土木工程的發(fā)展。FRP復(fù)合材料的誕生與應(yīng)用同樣為現(xiàn)代土木工程的發(fā)展貢獻(xiàn)了力量。FRP復(fù)合材料即為加強(qiáng)纖維復(fù)合材料，是當(dāng)前工業(yè)界中應(yīng)用最為廣泛且普遍的復(fù)合材料。積極研究FRP復(fù)合材料的特性，才能更好地總結(jié)FRP復(fù)合材料的應(yīng)用優(yōu)勢，以便進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍。

1、復(fù)合材料的概念及基本特性

復(fù)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(dāng)前客觀存在的大多數(shù)事物都屬于復(fù)合材料的范疇。具體到土木工程領(lǐng)域，常見的典型復(fù)合材料就是施工用混凝土。對(duì)現(xiàn)代工業(yè)而言，復(fù)合材料也被用于統(tǒng)稱經(jīng)人工制造合成不少于二相合成物質(zhì)的多元材料，在基本的二相材料中，其中一相應(yīng)視為加強(qiáng)材料，諸如玻璃、石墨、銅或碳化硅等物質(zhì)，一般以顆?；蚶w維狀態(tài)存在；另一相視為基質(zhì)，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(fù)合材料的發(fā)展總體上經(jīng)歷了近80年歷史，初期的復(fù)合材料以玻璃纖維復(fù)合材料為主，進(jìn)入20世紀(jì)中葉后，工業(yè)界開始全面生產(chǎn)和推廣應(yīng)用復(fù)合材料。

2、FRP復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用優(yōu)勢

FRP復(fù)合材料從研發(fā)產(chǎn)生到后期發(fā)展應(yīng)用，其支撐思想就是要將不同材料的特性進(jìn)行整合，從而能夠在有限的使用量基礎(chǔ)上發(fā)揮各類加強(qiáng)材料和基質(zhì)的不同特性，通過各種材料的有機(jī)組合，復(fù)合材料既能保持原有各類材料的物化屬性與力學(xué)特性，也能夠?qū)⒏鞣N特性進(jìn)行有效的集中和增強(qiáng)，如在土木工程中所使用的鋼筋混凝土復(fù)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(jié)構(gòu)中承受主要的受拉應(yīng)力，而混凝土材料則能夠承受建筑物結(jié)構(gòu)中的主要受壓應(yīng)力。有所區(qū)別的地方在于，很多FRP復(fù)合材料所受應(yīng)力大部分經(jīng)由其組成成分中的高強(qiáng)纖維承擔(dān)，對(duì)于基質(zhì)材料而言，將發(fā)揮傳遞剪力和包裹及保護(hù)纖維等作用。大量的事實(shí)表明，F(xiàn)RP復(fù)合材料正是因?yàn)橛袡C(jī)融合了不同屬性不同特質(zhì)的材料，才能整體上發(fā)揮出更優(yōu)越的性能，甚至?xí)戒摬牡葌鹘y(tǒng)材料構(gòu)件?？偟膩砜?，復(fù)合材料的顯著優(yōu)勢在于具有超高的強(qiáng)度對(duì)重量比以及剛度對(duì)重量比。因而能夠在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕但強(qiáng)度高的特點(diǎn)。與此同時(shí)，復(fù)合材料具有抗疲勞、抗腐蝕、磁電屏蔽、使用壽命長等優(yōu)勢。

3、FRP復(fù)合材料在土木工程中的具體應(yīng)用表現(xiàn)

3.1 FRP復(fù)合材料加強(qiáng)筋。在具體的土木工程中，F(xiàn)RP加強(qiáng)筋可完全替代傳統(tǒng)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(fù)合材料的重量較輕并且抗疲勞能力出眾，將在鋼筋結(jié)構(gòu)中取得最佳受力抗性表現(xiàn)。

3.2復(fù)雜環(huán)境下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用。近年來，常常會(huì)出現(xiàn)水邊碼頭區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)地下基礎(chǔ)部分性能劣化且抗力衰減的問題，引發(fā)人們的持續(xù)關(guān)注?？陀^來分析這些問題，其原因是多方面的，不僅受環(huán)境影響較為嚴(yán)重，而且在施工技術(shù)、材料應(yīng)用上也多有不足。經(jīng)過研究實(shí)踐，工程師們認(rèn)為FRP復(fù)合材料可成為解決這一問題的重要方法，其在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)下部結(jié)構(gòu)的鞏固和支撐作用優(yōu)勢明顯?？稍谠械叵禄A(chǔ)上多覆建一層FRP材料，從而有效增加該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與硬度，且可以將原有結(jié)構(gòu)中的普通鋼筋換為FRP加強(qiáng)筋，可使原有結(jié)構(gòu)可靠性與穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改進(jìn)。

3.3 FRP混凝土組合結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的高強(qiáng)屬性。受此技術(shù)應(yīng)用的啟發(fā)，并注重加強(qiáng)對(duì)經(jīng)濟(jì)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(dāng)前，這一方案主要傾向于開展FRP外包混凝土應(yīng)用，從而創(chuàng)新出諸如鋼管混凝土的新結(jié)構(gòu)。在有關(guān)研究中，可利用FRP材料組成外殼，并向內(nèi)填充混凝土，從而形成混合結(jié)構(gòu)，可替換道橋主梁或主柱并積極支撐FRP橋面板。該結(jié)構(gòu)必然是應(yīng)用了FRP和混凝土兩種材料的優(yōu)越性能，體現(xiàn)出強(qiáng)度高、剛度高、重量輕、價(jià)格低等，從這點(diǎn)來看，F(xiàn)RP材料的推廣應(yīng)用還能夠?qū)ㄖ杀驹靸r(jià)形成積極影響。

3.4土木工程大型結(jié)構(gòu)應(yīng)用。FRP復(fù)合材料體現(xiàn)了功能上的多元化，也體現(xiàn)出了施工制造方面的可塑性。在不少建筑結(jié)構(gòu)的施工中，對(duì)于抗腐蝕或磁電屏蔽等要求，施工方努力開發(fā)應(yīng)用不同的FRP復(fù)合材料，合理開展電磁試驗(yàn)操作，來優(yōu)化相關(guān)功能的建筑結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，在FRP的應(yīng)用上也可以整合資源構(gòu)建感光電路金屬板房間，從而實(shí)現(xiàn)土木工程中大型結(jié)構(gòu)的FRP復(fù)合材料應(yīng)用。此方面較為典型的就是美國蘋果公司的電磁干涉實(shí)驗(yàn)室，其為全球首個(gè)基于FRP復(fù)合材料建造而成的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

4、FRP復(fù)合材料在土木工程應(yīng)用前景展望

隨著生活品質(zhì)的提升，人們對(duì)土木工程的要求愈發(fā)嚴(yán)格，因而對(duì)傳統(tǒng)建筑材料帶來更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。FRP復(fù)合材料所帶有的輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗疲勞、功能全面、適用性強(qiáng)、易設(shè)計(jì)加工等特點(diǎn)，被人們所青睞，因而可應(yīng)用于各種土木工程建設(shè)場景中，如超大跨、超高層、高耐久性建筑、特殊環(huán)境工程、永久性工程、結(jié)構(gòu)加固修復(fù)、大型工程結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、海洋工程等應(yīng)用方面。從市場需求來看，F(xiàn)RP復(fù)合材料的應(yīng)用前景十分廣闊。

FRP復(fù)合材料具有傳統(tǒng)建材無法比擬的優(yōu)勢，但當(dāng)前應(yīng)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(tǒng)材料，而是要與傳統(tǒng)建材之間形成一種互補(bǔ)式的默契，只有新型建材與傳統(tǒng)建材之間共同應(yīng)用，不斷研究改進(jìn)，才能整體推動(dòng)現(xiàn)代土木工程的技術(shù)進(jìn)步。

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