纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

郭明林，等：玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用　４７　

玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用术　

郭明林　莫华林　耿运贵。　

（１．河南师范大学，新乡４５３０００；２．开封大学，开封４７５０００；３．河南ＮＸ－大学，焦作４５４０００）　

摘要介绍了玻璃纤维增强复合材料的优良性能及其在建筑节能中的应用情况。指出我国建筑业能耗占所有　

产业能耗的３０％，采用节能环保材料是未来一段时间内降低建筑能耗的必由之路。通过分析表明，在建筑工程推广　

使用玻璃钢管道、玻璃钢门窗等产品可为国家节约大量能源。结合目前我国严峻的节能形势，指出了今后发展玻璃　

纤维增强复合材料的方向和建筑节能的对策。　

关键词玻璃钢　管道　门窗　建筑节能　

当前，节能和环保已成为人类改善生存环境和　

社会寻求良性发展的主题，越来越受到人们的重视。　

据统计，我国建筑业能耗约占所有产业能耗的　

３０％＿１－４１，这对日益匮乏的自然资源造成极大的威　

胁。因此，推进建筑节能是我国走可持续发展之路　

的必然趋势，特别是采用节能环保材料对既有建筑　

的节能改造和新建建筑的节能选材设计是未来一段　

时间内降低建筑能耗的必由之路。玻璃纤维增强复　

合材料（俗称玻璃钢）凭借其优异的性能，在建筑节　

能方面的应用日益受到人们的青睐。　

１玻璃钢的优良性能　

（１）轻质高强，力学性能好　

玻璃钢具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能及　

减振性能好等优点。玻璃钢的密度通常为１．７　ｇ／　

ｍ　左右，而其强度可以达到甚至超过普通碳素钢的　

强度，作承力构件可发挥其独特的优良力学性　

能　。　

（２）可设计性优良　

玻璃钢的成型工艺灵活，其结构和性能具有很　

强的可设计性。通常玻璃纤维的强度和弹性模量比　

树脂的强度和弹性模量大几十倍。可以通过改变玻　

璃钢中纤维的含量和分布方向，将潜在的性能集中　

到必要的方向上，使纤维更有效地发挥作用。还可　

以根据需要制作兼具刚性、韧性的玻璃钢制品以最　

大限度地满足工程使用性能的要求。另外，还可赋　

纤维增强材料在土木工程中的应用研究

摘要：分析了纤维增强材料的组成和制备工艺，然后分析了纤维增强材料的力学性能，在此基础上对纤维增强材料土木工程中的应用进行阐述，包括在在岩土工程中的应用、在桥梁中的应用、在海洋工程中的应用、在特殊工程中的应用。

关键词：纤维增强材料，土木工程，纤维增强材料

1 引言

在当前的各类土木工程中，亟需解决的一个问题便是由于钢筋与氧元素发生反应引起锈蚀，最终导致钢混结构遭到，影响到建筑体的质量与寿命。结合有关研究的统计数据，由于钢筋的锈蚀而引起的混凝土破坏比例占到左右工程的56.5%。在美国，每年用于修复此项损伤的资金便达到近千亿元。本文研究了纤维增强材料在土木工程中的应用，对于提升建筑质量和寿命具有比较好的理论价值和实践意义。

2纤维增强聚合物筋的组成和制备工艺

纤维增强聚合筋是由纤维、树脂基体材料、辅助剂按照不同的比例混合，通过各种制作工艺加工而成的复合材料。纤维增强聚合物筋在实际工程中采用的纤维种类有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维；常用的纤维增强聚合筋的基体为树脂、陶瓷、碳素、金属等。纤维为复合材料提供了强度，其在筋中的作用主要是承载。不同制备工艺得到的产品形式也不同。纤维增强聚合筋是采用单向成型工艺，主要是拉挤成型，即将单向长纤维束与树脂混合成型，再对其表面进行处理，经过处理后可增强与混凝土的粘结。拉挤成型的工艺设备是拉挤机，工艺过程分别是排纱、浸渍、成型与固化、牵引、切割。其工艺是将纤维束处理后，通过送纱装置连续喂入，经过树脂胶槽将纤维浸渍，再经过固化室，让树脂在室内发生硬化，按此流程可制成连续的纤维增强复合材料制品,生产筋材时，表面多做成条纹状或砂粒状，或者在筋材表面覆粒状物或短纤维，还可以采用机械法直接进行表面加工，如压制波纹。此外纤维增强聚合筋可塑性好，有时也制作成扁平状。

2纤维增强材料力学性能分析

2.1纤维增强材料的抗拉强度分析

纤维增强塑料筋在土木工程中的应用探讨

【摘要】在土木工程中，近年来纤维塑料增强筋的应用逐渐成为一个研究热点。纤维塑料增强筋具有的轻质、耐腐蚀、高强、抗疲劳、低弹性模量、比重小等优点使其在土木工程中日益得到广泛应用。本文基于国内外有关资料，对纤维塑料增强筋的物理力学性能及应用领域进行了较深入地探讨，提出了纤维塑料增强筋的发展趋势。

【关键词】纤维塑料增强筋；土木工程；力学性能

1、序言

在土木工程中，因钢筋锈蚀而破坏钢筋混凝土结构是普遍存在一个主要问题。根有关统计结果显示，在各类破坏钢筋混凝土结构的原因中钢筋锈蚀高达近60%，针对钢筋耐久性不够而发生损坏的桥梁维修经费也逐年增加，国内仅存在此情况的危桥就约占1/3左右。所以，使钢筋混凝土结构的耐久性不断提高，是土木工程领域需要解决的一个重要问题。纤维塑料增强筋具有轻质、耐腐蚀、高强、抗疲劳、低弹性模量、比重小等优点，能够用于混凝土结构中的作为普通钢筋的替代品，从本质上有效解决因钢筋锈蚀导致的工程失效问题。纤维塑料增强筋在混凝土结构中的应用已逐渐成为一个新兴产业。

纤维塑料增强筋主要由高性能纤维与基体材料构成，纤维是一种具有加劲作用的增强材料，基材具有粘结、剪力传递作用。纤维分为碳纤维、玻璃纤维、混杂纤维与芳纶纤维四种，依据不同的连续纤维种类，常用的纤维塑料增强筋筋主要有碳纤维增强塑料筋、玻璃纤维增强塑料筋、混杂纤维增强塑料筋与芳纶纤维增强塑料筋。

2、纤维塑料增强筋的物理力学性能

纤维塑料增强筋具有非常小的密度，只相当于钢材的六分之一左右，在相同直径下其质量远低于钢筋；又由于其具有较高的强度，因此，对于重量比及刚度对重量比可达到钢筋的十至十五倍。在施工中不只是降低施工荷载、布筋劳动强度及劳动成本；还能用于混凝土结构，明显减轻结构本身重量。在大跨度斜拉桥与悬索桥中使用时能够明显提高桥梁结构的极限跨径，降低地震作用的影响。因纤维含量、种类及树脂种类等存在差异，纤维塑料增强筋具有不同的横纵向热膨胀系数；纤维控制纵向热膨胀系数，树脂控制横向热膨胀系数。通常纵向热膨胀系数低于横向热膨胀系数，差别受连续纤维与树脂类型及纤维体积率等因素的影响。但纤维塑料增强筋热膨胀系数接近于混凝土，在温度改变时，不会出现温度应力而使纤维塑料增强筋与混凝土粘结受到破坏，进而确保纤维塑料增强筋与混凝土实现协同工作。该材料中因不同的纤维成分而在力学性能具有较大的差别，而不同纤维材料也是使其性能表现出很大差异。纤维塑料增强筋作为一种脆性材料，其拉伸应力与应变具有正比例关系，材料变化遵循虎克定律，在达到抗拉强度极限前不会产生塑性改变。

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