纤维增强复合材料在土木工程中的应用与发展

摘要：碳纤维材料属于一种含碳量高达90%的材料。与物理性能最好的钢比较来看，碳纤维材料具有强度较高，质量较轻的优势，因此已经被用于替代加固材料。不同的碳纤维材料具有不同的性能，在建筑结构工程中被用于不同的位置。主要介绍了纤维复合材料的概念及应用优势，并介绍了典型的FRP材料，以促进FRP在中国土木工程领域的推广应用

关键词：纤维增强复合材料;土木工程;应用与发展

引言：碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度高模量纤维，具有比强度高、比模量高、耐热、耐磨损、质量轻、耐化学腐蚀等特点，因而成为近些年来复合材料当中重要的增强材料之一。其复合材料常被用于土木建筑、体育器材、航空航天和军工领域等。近年来，也成为了增强材料中研究的热点，包括碳纤维表面处理、碳纤维增强复合材料，碳纤维布表面处理及其复合织物的研究等。

1纤维复合材料的概念及应用优势

1.1概念。纤维复合材料又被称之为碳纤维复合材料、碳纤维增强复合材料或碳纤维加强塑料等。碳纤维是一种由碳元素为主要成份构成的物质，并且它具有很多种类，具体的种类区别主要在于含碳量的不同，但大多数碳纤维的含碳量都>90%。由于碳元素是主要构成元素，因此碳纤维具备普通碳元素材料的很多基本性能，例如较强的抗腐蚀性能与耐高温性能、良好的导热性能与导电性能等。此外，碳纤维拥有特殊的优点，例如柔软度好、外形特异性明显、轴方向强度高、容重比较小等。总的来说，碳纤维是一类力学性能较好的新型优质材料。而纤维复合材料本身为一种新型的复合材料，其在建筑结构加固中拥有十分重要的应用价值。

1.2应用优势。与其他材料相比，纤维复合材料优越性较强。具体来说，首先，与普通的钢材相比，纤维复合材料抗拉强度标准值高出10倍以上，其次，与其他材料对比，纤维复合材料自振频率较高，可更好地预防共振，抗震性能较强;再者，与其他材料对比，纤维复合材料耐久性、抗盐侵蚀性、抗酸侵蚀性及抗碱侵蚀性等较优;最后，与其他材料对比，纤维复合材料柔软性、着色性更高，因为其中的树脂料是一种具备流动性的物质，方便改变成不同形状，在着色方面也具有很大的选择空间。基于以上这些优势，纤维复合材料在现代建筑领域内，获得了广泛应用，发展前景良好。

2典型的FRP材料

2.1玻璃纤维增强复合材料。玻璃纤维是叶蜡石、石英砂、石灰石等7种矿石为原料经一系列工艺制造成，因原材料丰富、价格便宜，是目前工程中应用最为广泛的纤维材料，通常以30%～35%的质量复合到基体材料中，GFRP（俗称玻璃钢）具有比强度高、抗疲劳、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好、可设计性强、便于大面积成型以及适应强等优点。根据玻璃成分，玻璃纤维可分为无碱玻璃（E-玻璃）、中碱玻璃（C-玻璃）、耐碱玻璃（AR-玻璃）、高模量玻璃（M-玻璃）、高强玻璃（S-玻璃）等，其中E-GFRP在FRP中最便宜、消耗量最大。

2.2芳纶纤维增强复合材料。芳纶纤维是一种高性能的人造合成纤维，由芳香环和酰胺键构成，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、低密度等优良性能，还具有良好的介电性和绝缘性，生命周期长。目前Kevlar纤维、Twaron纤维、Technora纤维等由美国和日本公司生产的芳纶纤维占据了大部分市场，中国研究起步较晚，技术不够成熟，目前芳纶纤维的使用大部分依赖进口。AFRP是所有FRP材料中综合性能最好的一种，与GFRP相比其密度低40%，与CFRP相比，其抗碱性更强、延伸率更高，在高速荷载作用下其破坏强度较之于其他FPR材料要高出40%。

2.3树脂材料。树脂材料在复合材料中做基体使用，将纤维黏结在一起，使纤维材料受力均匀。树脂的选择尤为重要，它会影响整个复合材料的力学性能，热塑性树脂由于耐热性和刚性较差，不适用于土木工程，而环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯树脂和酚醛树脂等热固性树脂由于刚性大、硬度高、耐温高、制品尺寸稳定性好等特点，被广泛应用于FRP的基体材料。

3土木建筑工程中纤维复合材料的应用发展

3.1纤维复合材料加固技术方案设计。由于建筑结构的设计过程较为复杂，设计人员在进行设计时，要将化学纤维聚合物材料应用于土木工程结构加固时，首先是规划土木工程项目的总体加固策略，然后再确定具体的加固技术方案。碳纤维材料塑料板在钢筋混凝土弯曲预制构件的抗弯结构加固，抗剪结构加固和柱抗震等级结构加固应用较多。在加强弯曲结构时，碳纤维塑料片的化学纤维取向应与拉伸区的拉伸应力取向一致。当增强剪切结构时，应将碳纤维塑料板的化学纤维取向作为混凝土中的主要张力。应力方向是相同的，但是为了使施工更加方便，可以使用化纤方向和预制构件的纵向坐标进行结构加固。加强抗震等级结构时，应将碳纤维布封闭地缠绕在圆柱上。另外，碳纤维材料塑料片还可以沿着预制构件的径向方向粘贴，可沿着腋下角度粘贴，可在枢转力下对预制构件进行结构加固。当在弯曲下加固结构时，也可以向碳纤维塑料板中添加预应力钢的方法来增强结构加固的实际效果。碳纤维塑料板还可以用于框架柱和特殊结构，例如壳体，筒仓和烟囱。

3.2应重视纤维复合材料的研发及技术标准制定。碳纤维材料高分子材料目前在国内建筑行业应用尚不十分广泛，目前主要应用于一些专业性较高的建筑结构中。主要原因在于许多碳纤维材料产品仍然必须从国外购买，这不仅增加了建造成本，而且限制了新材料和新技术的应用。同时，我国现阶段依然使用的是国外的技术标准和规范，现有的结构加固和修复技术方法已越来越不适用。迫切需要制定适合于我国国情的技术标准和建筑加固施工作业规程，以改善碳纤维材料和高分子材料的建筑应用技术。因此，加强对纤维复合材料的研发力度，提升产品质量，并制定适合的材料生产技术标准和建筑加固施工作业规程，是现阶段的重点问题。

3.3结构加固补强的关键技术的研发。FRP聚合物材料，尤其是CFRP聚合物材料已经取得了很好的进展，在基础设施建设工程加固技术应用也较为广泛，但是仍然有很多课题有待解决，主要包括两个方面：一是在预应力加固补增技术研究;另一个是界面受力性能研究。为了使用该类复合材料在建筑结构加固领域发挥更大价值，还需要进一步的深入研发。

结束语：FRP材料的应用越来越广泛，但目前中国从技术、质量，特别是对新技术、新产品的开发和应用与发达国家仍有较大差距。中国应加大FRP材料在土木工程领域的基础技术研究投入，促进FRP材料产业化进程，同时，加强与其他领域的合作，从而全面提高土木工程领域FRP材料的研发、生产及应用能力。随着不断地研究实践，FRP材料在土木工程建设中必将发挥更重要作用。

参考文献

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