纤维复合材料在土木建筑工程中的应用研究

篁堡　

中国高新技术企业　

纤维增强复合材料在土木工程中的应用和研究　

◇文／袁搜　

【摘要】　纤维增强复合材料（ＦＲＰ）作为一种新型材料具有高强、轻质、耐腐蚀、施工方便等特点已被广泛应　用于工程实践。国内外针对ＦＲＰ在土木工程中的应用和研究也越来越多，已成为土木工程一大研究热点。本　文主要概括了ＦＲＰ在土木工程中的应用和研究现状．为今后的应用和研究提供有益的帮助和指导。　【关键词】纤维增强复合材料（ＦＲＰ）土木工程　

１　ＦＲＰ的发展　ＦＲＰ作为结构材料出现于１９４２年，美国军方用手糊的ＧＦＲＰ　制作雷达天线罩。２Ｏ世纪５Ｏ一６Ｏ年代ＦＲＰ才开始用于民用建筑中　ｔｌ】，７０—８０年代ＦＲＰ在结构工程中的应用与研究逐渐增多，尤其是　价格比较便宜的ＧＦＲＰ（俗称玻璃钢）。但这些应用大多数都是附属　性、临时性的构件．ＦＲＰ材料的优越性能没有得到充分发挥，即使用　ＦＲＰ作为结构材料也多是尝试性的，没有形成规模。同时，多数的结　构工程师不了解ＦｆｕＰ材料，也大大限制了它的应用和推广。近十年　来，尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后，ＦＲＰ材料（主要是片　材）加同补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用。随着这　项技术在世界各地的推广和发展，ＦＲＰ材料的轻质高强、耐腐蚀、施　工性能好等优越性能被工程界逐渐认可，加上ＦＲＰ材料规模生产的　增加，其价格也较以前有了大幅度的降低，故ＦＲＰ开始以各种形式　应用于各类土木与建筑结构工程中。　２　ＦＲＰ的力学性能及特点　不同的纤维化学成分不同．力学性能也有较大差别，相应ＦＲＰ　的力学性质也表现出很大的差异。常见的几种ＦＲＰ材料的力学性能　见表１。图１是国内研究人员对ＦＲＰ片材的特性进行了大量试验研　究，得到的各种ＦＲＰ应力一应变曲线［１ｌ（ＨＦＲＰ一１ＧＦＲＰ＋２ＣＦＲＰ，片材　厚度：０．５０５ｍｍ）。　表１　ＦＲＰ复合材料的力学性能　ＦＲＰ类型　密度（Ｋｇ／ｍ＇｝　弹性模量（Ｍｐａ）ｌ抗拉强度（Ｍｐａ）ｌ极限应变（％）　玻璃纤维（ＧＦＲＰ）　≈２０００　≈５　１ｘ１０　１　≈１６７０　】　≈３　３　碳纤维（ｃＦＲＰ）　≈１５００　ｌ　５ｘ１　０５　｝　１７００　Ｉ　ｌ　ｌ　芳纶纤维（ＡＦ　）　１３００　６　４ｘ１０　ｌ　１６１０　ｌ　２　５　

浅谈碳纤维材料在土木工程中的应用

摘要：碳纤维复合材料（cfrp）作为一种新型材料，有着优良的物理特力学性能。近年来在土木工程中的应用越来越广泛。综述了cfrp的发展历程及主要研究成果。

关键词：碳纤维 材料特性 土木工程

1、碳纤维复合材料（cfrp）的发展历程

纤维增强聚合物复合材料frp（fiber reinforced polymer）问世于20世纪40年代。cfrp最开始由美国制造。1950年，美国空军基地在2 000℃高温下牵引人造丝得到cfrp。1959年美国联合碳化公司以粘胶纤维为原丝制成纤维素基cfrp；1962年，日本碳素公司实现低模量聚丙烯腈基cfrp的工业化生产；1963年英国航空材料研究所开发出高模量聚丙烯腈基cfrp；1965年日本群马大学试制造出沥青或木质素为原料的通用型cfrp； 1969年，日本大谷杉郎从特殊的共聚pan中生产出高强、高弹模的芳香族聚酰胺纤维；1970年，日本吴羽化学公司实现沥青基纤维的工业规模生产；1972年，美国杜邦公司生产出密度1.2～1.5 t/m3强度达3 000 mpa的aramid（阿拉米德） cfrp；1980年美国金刚砂公司研制出酚醛纤维为原丝的活性碳纤维并投放市场；1996年全世界碳纤维总生产量已达17 000 t，其中聚丙烯腈基纤维占85%，其余是沥青基纤维。2002年世界聚丙烯腈基碳纤维的生产能力约为3.1万t，其中75%是小丝束碳纤维，25%是大丝束碳纤维。碳纤维材料主要由日本生产，美国其次.其他国家产量很少。 2、碳纤维在土木工程中的应用研究现状

2.1 国外的应用研究状况

cfrp材料首先应用于航天工业，这项技术在20世纪70年代已趋于成熟。在土木工程中的应用始于20世纪60年代的美国。但当时试验结果不理想，而且价格很高，所以在其后的二十多年里，frp材料在土木领域的研究与应用没有得到很大的发展。在土木工程中的应用研究直到80年代初才开始重视，但相关的研究主要集中在欧美、日本和澳大利亚等国。应用范围多集中于桥梁、海工构筑物、非磁性建筑等工程，其中桥梁方面应用较多。

FRP在土木工程结构加固应用进展探究

近年来，纤维增强复合材料也就是FRP是一种新型高性能结构材料，在土木工程结构加固中得到广泛的应用, 我国在土木工程结构中对这一新型高性能材料做了研究工作，例如FRP材料技术、FRP加固设计技术、FRP加固施工技术等，研究表明，FRP在土木工程结构加固中的应用，显现的自身特点有高强、轻质、抗腐蚀温度作用下稳定性好等，工程优势有节省维修费用、施工便利、交通干扰较小、结构耐用持久等，利用这些特性和优势，在某些特定的条件下，FRP材料可以代替具有传统的结构材料进行使用，这种材料受到土木工程界的重视与关注，在未来的结构加固领域，FRP材料的地位越来越重要。本文介绍了土木工程结构中FRP材料的特点,分析了在土木工程结构中的应用与发展,以供工作参考。

标签：纤维复合材料（FRP）；土木工程；加固应用

土木工程学科的发展要依赖于性能优异的新材料新技术的应用和发展。FRP复合材料在土木工程结构加固工程中应用潜力很大。FRP材料具有轻质高强、抗腐蚀性强、耐腐蚀耐久性能好、自重轻、施工方便、热膨胀系数与混凝土相近、抗疲劳、节省材料、施工方便、维护成本低等优点。FRP材料的结构修复和形成新结构在土木工程中的研究与应用较多，结构修复包括维修、加固、更新等几个方面；形成新结构包括采用FRP材料形成新结构和FR材料与混凝土形成混合结构。在21世纪的结构加固领域，采用FRP材料加固的应用范围越来越广，主要应用于加固混凝土、梁、板、柱、砌体结构、钢结构等。土木工程中，各国政府对材料的安全性、耐久性、经济性是很重视的。

1 FRP在结构加固中的研究现状

我国FRP材料的研究和应用与发达国家相比，技术水平还比较落后。但是目前，我国应用FRP材料已完成多项工程，其发展前景还是很广，近些年来，我国有更多的研究单位加人到FRP材料的研发中来，因此，我国的FRP研发的技术领域得到快速发展。它的发展也会带动市场材料的使用量，在土木工程领域中，FRP复合材料的应用在我国起步较晚，FRP材料队也土木工程建筑物来说，造价不能过高，FRP材料工程应用经验较少，造成FRP材料的应用比其他行业会滞后些,而工程师面对的FRP实践性问题也是关于这种材料加强结构的预期或先见效果，实践设计经验少，对FRP材料加固结构设计的标准和研究也很缺乏[1]。

ＩＩ　ＦｉｂｅｒＦｏｒｕｍ　行业论坛　

Ｋｅｖｌａｒ纤维复合材料在土木工程结构加固中的应用　

张诚修，管宝琼　

［ＤｕＰｏｎｔ（中国）研发中心，上海２０１００３］　

一　程结构加固的潜在市场ｊ＃常嘎　大，将为声　邕纤维及其ＦＲＰ生产　商带来　限商机。　ｌ　

鼙　辫纛毒蒸豢　：　ｔ　

Ｉ’　刖吾　

用高性能纤维增强复合材料（ＦＲＰ）加固修复　

混凝土结构是２０世纪８０年代末在美、日等发达国　

家兴起的一项新技术，特别是１９９４年美国洛杉矶　

大地震和１９９５年日本阪神大地震后，此项新技术　

发展迅猛，并在土木工程结构加固中得到广泛应　

用。　

ＦＲＰ加固技术作为面向２１世纪的新型建筑结　

构加固技术，以其优异的力学性能，简便的施工工　

艺，良好的耐腐蚀Ｉ生、耐久性和抗震性，引起了世　

界建筑业的普遍关注，一个以ＦＲＰ结构加固为主　

的新兴建筑业已在全世界兴起。　

中国ＦＲＰ加固技术的研发始于１９９６年。近十　

年来，在ＦＲＰ材料和应用方面也取得了长足的进　

步，ＦＲＰ材料已开始在建筑工程、桥梁、铁路、隧　

道等土木工程各个领域的加固补强中得到实际应　

用。目前，中国已初步形成一个专门从事ＦＲＰ建　

筑加固修补的新兴产业。国家标准《高性能纤维　

复合材料应用技术规范》　（以下简称（（ＦＲＰ规　

）及ＦＲＰ用织物、片材的国家标准也正在加紧　

收稿日期：２００７－－０３—０８　作者简介：张诚修．杜邦公司先进纤维部亚太地区技术经理。　制订之中。　

本文将对ＦＲＰ用纤维材料，特别是Ｋｅｖｌａｒ纤　

维在ＦＲＰ结构加固中的应用作一简要介绍。　

１　ＦＲＰ用纤维的主要品种　

高抗拉强度、高弹性模量是ＦＲＰ用纤维的必　

备条件，其它条件还包括：抗冲击性能、抗剪切性　

能、耐腐蚀性能、电绝缘性能等（视应用场合而　

异）。　

《ＦＲＰ规范》明确规定，现阶段中国ＦＲＰ用　

纤维主要包括碳纤维（ＣＦ）、芳纶（ＡＦ）、无碱或　

耐碱玻璃纤维（ＧＦ）以及玄武岩纤维（ＢＦ）。各种　

纤维的应力应变曲线如图１所示。