纖維增強(qiáng)塑料在公路工程中的研究進(jìn)展

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，大力推動(dòng)了公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐。混凝土、鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等材料是公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的首選材料，已沿用百年以上，整體使用效果較好。這些材料建造的少數(shù)公路結(jié)構(gòu)物因材料腐蝕、老化以及施工缺陷，在運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生較多早期損害，并且性能恢復(fù)施工難度大、維護(hù)成本高，嚴(yán)重影響了構(gòu)造物的使用壽命和正常工作。纖維增強(qiáng)塑料（FRP）作為新興土木工程材料，憑借著輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)材料易產(chǎn)生早期損害的問(wèn)題，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于公路工程建設(shè)中，使用效果良好?；诖?，本篇文章對(duì)纖維增強(qiáng)塑料在公路工程中的研究進(jìn)展進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)塑料;公路工程;研究進(jìn)展

引言

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（FiberReinforcedPolymerComposite，F(xiàn)RP）由于其高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕、抗疲勞和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。與傳統(tǒng)金屬相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠減重20%～30%。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已逐漸從襟副翼、方向舵、擾流板和起落架艙門(mén)等次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到機(jī)身、機(jī)翼、尾翼和后承壓框等主承力結(jié)構(gòu)，而且其在航空結(jié)構(gòu)中的用量也逐步增加，波音787和空客380的復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到了50%以上。FRP材料由增強(qiáng)纖維以及基體材料組成，增強(qiáng)纖維主要有玻璃纖維、碳纖維以及芳綸纖維等;基體材料為多種樹(shù)脂（由于短切纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在高性能結(jié)構(gòu)中使用較少，本文只涉及長(zhǎng)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料）。FRP材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、加工成型性好、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中。

1纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞、模壓或拉擠等多種成型工藝制備而成的復(fù)合材料。作為增強(qiáng)材料的纖維，是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要組成部分，其所用纖維很小，一般直徑在10μm以下，缺陷少且具有較高的強(qiáng)度和模量，是復(fù)合材料承受載荷的主要部位?；w材料往往采用具有粘彈性和彈塑性的韌性材料，其可承受較大的應(yīng)變，并起到結(jié)合和保護(hù)纖維材料的作用，對(duì)維持復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性和一致性具有重要意義。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、比剛度大、阻尼性能和抗疲勞性能良好，且可根據(jù)需求設(shè)計(jì)相關(guān)材料性能，是直升機(jī)領(lǐng)域復(fù)合材料制件選用的主要材料。

1.1碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

碳纖維是一種纖維狀微晶石墨材料，碳含量基本能達(dá)到95%左右。它主要是由有機(jī)纖維在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)1300℃～1800℃的高溫碳化及石墨化制得。碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、密度低、無(wú)蠕變、非氧化環(huán)境下耐高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好等優(yōu)異性能，是目前應(yīng)用最多、最重要的增強(qiáng)材料。其中，與樹(shù)脂材料復(fù)合而成的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)材料中展現(xiàn)出的綜合性能最優(yōu)，應(yīng)用典型代表為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料。經(jīng)多年驗(yàn)證，環(huán)氧樹(shù)脂基體具有綜合性能優(yōu)異、工藝性良好、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.2芳綸纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

芳綸纖維是一種新興的高性能合成纖維材料，全名芳香族聚酰胺纖維。芳綸纖維具有優(yōu)異的耐高溫和抗老化性能，其質(zhì)量輕而強(qiáng)度高，重量?jī)H為鋼絲的1/5左右，但強(qiáng)度卻可達(dá)鋼絲的5～6倍。杜邦公司生產(chǎn)的凱夫拉（Kevlar）纖維就是一種典型的芳綸纖維。

2纖維增強(qiáng)塑料在公路工程中的研究進(jìn)展

2.1FRP管道的多排應(yīng)用研究

雙排以及多排的埋地FRP夾砂管涵的應(yīng)用是一種新的嘗試，避免了路基高程對(duì)于管涵敷設(shè)的限制，并取得了良好的效果。針對(duì)雙排FRP夾砂管替代單排FRP夾砂管的斷面流量、力學(xué)性能以及經(jīng)濟(jì)性等多方面的可行性分析表明，雙排FRP夾砂管的各方面均符合應(yīng)用要求，具備大范圍應(yīng)用的潛力。仿真研究了雙排及多排埋地FRP夾砂管的力學(xué)性能，結(jié)果表明涵管間距、填土壓實(shí)度以及加載方式對(duì)于雙排及多排埋地FRP夾砂管的受力位置與變形特性均有不同程度的影響。在淺埋條件下，雙排FRP夾砂管替代單孔大直徑FRP夾砂管時(shí)應(yīng)采取土工格柵減載、控制雙排管滿(mǎn)足最小間距的工程措施。

2.2FRP管道力學(xué)性能的研究

建立FRP夾砂管數(shù)值計(jì)算模型，分析了管道各項(xiàng)物理參數(shù)的改變對(duì)于其性能和環(huán)剛度的影響。采用MATLAB和ANSYS聯(lián)合仿真計(jì)算研究了FRP夾砂管的管道層數(shù)、纖維體積比、夾砂層厚度、交叉纏繞層體積比以及纏繞角度等參數(shù)對(duì)于FRP夾砂管的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響規(guī)律，在保證FRP夾砂管安全性能的基礎(chǔ)上使其在經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)等方面均得到了較大提升。

3具有發(fā)展?jié)摿Φ睦w維增強(qiáng)復(fù)合材料

通過(guò)對(duì)比各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料具有很廣闊的前景。不同作者持有不同的觀點(diǎn)，都論述了自己的研究領(lǐng)域的發(fā)展前景，對(duì)比之下，可發(fā)現(xiàn)這3種纖維復(fù)合材料各具特點(diǎn)：（1）纖維增強(qiáng)金屬層合板，同時(shí)具有金屬和復(fù)合材料纖維的優(yōu)點(diǎn)，且相較于其他纖維纖維增強(qiáng)金屬層合板，具有綠色無(wú)污染、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是一種十分具有潛力的增強(qiáng)復(fù)合材料。（2）纖維/樹(shù)脂基復(fù)合材料，因在橋梁中的應(yīng)用有良好的性能，在未來(lái)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)解決目前問(wèn)題的前提下具有十分廣闊的前景。（3）纖維聚合物復(fù)合材料，目前的研究多用于混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，針對(duì)材料的研究較為缺乏，是現(xiàn)階段3種復(fù)合材料中最不成熟的車(chē)用材料。在3種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，在對(duì)纖維的安全性及疲勞損傷進(jìn)行進(jìn)一步深入分析后，纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料具有很廣闊的發(fā)展前景。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，F(xiàn)RP作為一種新型復(fù)合材料為公路工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)了全面革新，通過(guò)在涵洞與橋梁建造和維護(hù)過(guò)程中替換傳統(tǒng)的混凝土、鋼筋等材料，以此來(lái)提升涵洞和橋梁的力學(xué)性能和耐久性能，取得了較為良好的效果。未來(lái)，F(xiàn)RP夾砂管涵的長(zhǎng)期性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝配式橋梁、廢舊FRP材料的回收再利用等方面將是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：張志勇 出生年月日：1987年11月28日性別：男民族：漢族籍貫：江蘇省徐州市邳州市職稱(chēng)：工程師學(xué)位：主要研究方向：公路與橋梁。