FRP复合材料课业

FRP复合材料FRP复合材料特性复合材料(CompositeMaterial)是指两种以上的材料组合在一起形成的非均匀材料.事实上，自然界中绝大多数物体都可视为复合材料.在土木工程界，最典型的复合材料是混凝土.在现代工业界，复合材料是指人工制造合成的二相或多相材料，通常一相为加强材料(Reinforce),另一相为基质(Matrix).常用的加强材料有玻璃(Glass)、铜(Carbon)、石墨(Graphite)或碳化硅(Polymer).常用的基质材料有各类聚合物(Polymer),如高分子聚合物、低分子聚合物、热固性聚合物和金属、陶瓷等.加强材料通常采用纤维(Fiber)或颗粒(Particle)两种形式.在工业界最常采用的复合材料是加强纤维复合材料(FiberReinforcedPlastic,FRP).复合材料的发展历史很短，最早的复合材料产生于1939年,是玻璃纤维复合材料(Glass/EpoxyFiberReinforcedPlastic,GFRP).从1959开始，工业界开始生产和应用复合材料.FRP复合材料在土木工程中应用的优势复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性,并将其有机组合，使复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性.这种思想类似于钢筋混凝土的特性，利用钢筋承担大部分受拉应力，利用混凝土承担大部分受压应力.所不同的是,在复合材料中，绝大部分应力均由具有较高强度的纤维承担，而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用.正是复合材料可以有机组合不同性质的材料，因此复合材料具有传统材料(如钢材)无法比拟的优点.复合材料最重要的优点是具有非常高的强度对重量比 (StrengthtoWeightRatio)及刚度对重量比(StiffnestoWeightRatio),因此复合材料广泛应用在航空、航天等要求轻质高强结构的领域.此外，复合材料还具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽及使用寿命长等优点.FRP在国内外的研究现状要研究纤维增强聚合物(FRP)，首先必须了解它的历史。早在1942年美国军方就用手糊的GFRP(俗称玻璃钢)制作雷达天线罩，这便是最早的FRP材料。至于将FRP用于民用建筑，直到二十世纪五六十年代才开始。二十世纪七八十年代纤维增强聚合物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FRP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。FRP在土木结构中的应用包括将FRP制成棒材代替钢筋用于土木结构;将FRP加工成束状或索状，充当大型土木工程的拉索或悬索；将FRP与混凝土一起做成大跨度预制梁、板;将FRP用于公路路面工程，以提高公路的质量和耐久性等方面。FRP在国外的研究国外对FRP的研究起步较早。美国在1960年就开始了混凝土梁中用FRP配筋的研究,研究重点是GFRP,期间中断近20年。20世纪80年代康奈尔大学成功进行预应力FRP筋束小比例梁的试验,并开发出GFRP筋束以及相应的连接锚固技术。1999年美国提出了FRP筋束性能试验规程和预应力梁疲劳性能等阶段性成果。研究表明:每根梁承受300万次疲劳循环，梁内筋束的应力介于55%〜70%的极限抗拉强度之间,FRP梁承载力的损失并非由疲劳或磨损造成。梁的破坏发生在其抗拉强度充分发挥之时,破坏前征兆明显，足以引起工程技术人员的警觉。加拿大于1995年成立了ISISCANADA组织,负责在因钢筋锈蚀导致混凝土劣化的桥梁中FRP复合材料新用途的研究,并开发出结构一体化的纤维光学监测技术。1997年建成Taylor、Crowchild等采用FRP配筋的桥梁,并实现了智能监控。日本在20世纪70年代就进行了FRP的应用研究。1987年开发出FRP片材，成为提高结构抗震性能的新手段。还开发出的有FRP片材及板材、FRP筋、FRP绞线、平面及三维格构材等产品。日本已将FRP复合材料用于制作室内游泳池的空心管屋架和南极观测站柱、墙、板等结构的配筋。1993年，日本编制了世界第一部FRP设计施工规范；日本土木工程协会也颁布了《连续纤维筋混凝土结构设计规范》。欧洲对FRP在混凝土结构中的研究开始于20世纪70年代。1986年德国建成世界第一座采用FRP后张绞索的公路桥。1991年开始，欧洲国家间开展了“BRITE/EURAM”、“EUROCRETE”、“ConFiberCreteNetwork”等针对FRP复合材料的合作研究项目。德国、挪威和奥地利已经在隧道衬砌中应用GFRP筋结合喷射混凝土作为永久配筋。FRP在国内的研究我国在土木工程中对FRP材料应用技术的研究与开发,基本是从20世纪90年代中期开始的.1997年开始引进CFRP片材加固混凝土结构技术,并开始进行相关研究.由于其巨大的技术优势，在很短的时间内就形成研究及其工程应用的热点.目前已有冶金工业部建筑研究总院（国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心）、清华大学、东南大学、华侨大学等数家单位开展了FRP应用与材料技术的研究.迄今已完成几十项研究项目，发表研究论文100多篇.其在FRP加固技术和设计计算理论等方面，已取得一批创新性的研究成果14〕.同时，已完成FRP（主要是CFRP片材）加固工程数百项.中国土木工程学会于2000年6月成立了“纤维增强塑料（FRP）及工程应用专业委员会”，并同时在北京召开我国首届纤维增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会.使得该项研究更有组织性与系统性,提高了研究效率.随着CFRP片材加固混凝土结构技术在我国研究和应用的迅速开展，中国工程建设标准化协会标准《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》已经发布实施.其它两个材料产品标准和国家级《高性能复合材料应用规范》，也在编制当中.高性能FRP复合材料加固修复技术的研究和应用已在我国逐渐展开,且正在以高速度发展.我国土木工程应用高性能FRP复合材料的进展很快，但起步较晚.CFRP片材的应用才刚刚进行，且仅用于结构加固修复技术方面.在高性能FRP复合材料材料方面,CFRP片材基本还依赖进口.其它纤维的FRP研究和应用，也还落后于国外发达国家水平.GFRP国内有较成熟的生产技术，但用于土木工程的研究和应用尚较少,未形成规模也不配套.这在某种程度上也制约其发展.而AFRP的材料生产、研究和应用均很少，没有自己的主导产品.FRP筋/索和FRP预应力混凝土的研究工作刚刚起步,相关的技术（如锚具、张拉设备等）研究国内目前还很少.至于其它FRP应用领域的研究,如FRP组合结构、FRP筋、索、型材的应用和研究方面基本是空白.这种情况严重制约了该领域材料及技术的发展，远远满足不了国民经济发展的需要.FRP复合材料在应用中存在的问题FRP复合材料在土木工程中应用滞后的原因FRP在土木工程中的应用比其它产业滞后，主要有两个原因.第一个原因是建筑物造价不能过高；另一个原因是缺少工程经验.工程师面对的许多实践性问题就是关于这种FRP加强结构的预期或先见效果的设计.对混凝土结构和钢结构有一系列规程和标准及丰富的设计理论和工作经验,然而对于FRP加强结构设计的标准和研究还相当匮乏.但从90年代早期,尤其从1996年开始,在土木工程中的一些特殊领域，FRP的使用已经有了巨大发展.在最近10年中,有许多文献报道了FRP在土木工程中的应用.第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会议上,有来自20个国家的247位作者提交119篇文章涉及到FRP复合材料的应用，这表明了FRP复合材料的应用正在引起广泛注意.FRP在加固构件技术上的缺点说缺点其实有点严重，其实更贴切是应用于工程的难度与加固效果未尽人意。（1）首先是施工工艺。与较为成熟的传统加固方式相比，FRP外贴技术还处于比较落后的作坊工艺阶段。在此需向不熟悉FRP加固技术的同学介绍下贴FRP的施工步骤。刚买回来的碳纤维布都是柔软的，下图是我在淘宝搜到的碳纤维布（画风变得有点快，小广告乱飞），然后要把这些布泡在预浸料里（预浸料的组分有多种，有兴趣的自己查下，但估计气味都是不好闻），充分浸泡后取出，等FRP稍微有点发干就将其绷直，用专门建筑用胶水粘贴在构件上。从整个工艺过程来看，机器参与度极少，人工参与度极高，导致加固效率偏低。而且如果运用在桥梁结构加固中，试想下，要加固20米的梁就要20米左右的FRP布，在机械参与如此之低的加固工艺里，要预制20米的浸渍完成的FRP几乎难以做到，即使做到质量也不能达到保证，单单就保证FRP长布粘贴在一条直线上，不靠机器单靠工人几乎做不到。纤维不直，其加固效果也大打折扣。然而，在实验室里，一般构件都较小，粘贴都比较容易。工程应用中的诸多问题都不存在了。(2)其次是FRP加固技术与构件的粘结界面的问题。由于FRP与构件是用环氧树脂胶水粘结，而环氧树脂受外界温度湿度影响较大，导致FRP粘贴效果大大下降。想想南方潮湿天气，贴墙上的春联都很容易剥落，FRP也是这个道理。这就很尴尬一一FRP坏一般都不是断了，而是整块剥落，这就不能保证FRP与构件的偕同工作，很好的发挥FRP高强的特性。以桥梁的服役环境来看，温度来个四五十摄氏度，湿度来个95%以上很正常。(3)还有就是FRP是典型的脆性材料，FRP加固构件的如果发生断裂，破坏的发生都是非常突然，没有大变形的先兆就“崩”了，用在工程还是有点不放心。(4)用FRP包的严严实实的混凝土构件，如果产生了裂缝，是很难从肉眼看出来的。4对FRP研究与应用的几点建议FRP应用于土木工程已经得到国际工程界的普遍认同，成为各国研究开发的热点。为了更好的推动FRP在土木工程中的研究和应用，学者提出以下建议：(1)FRP筋、索在国外的研究已经有相当时间，我国在这方面的研究起步较晚，成果相对较少。在FRP预应力筋、拉索的研究应用方面有很多工作要做，如FRP筋混凝土结构构件设计计算方法的研究；预应力FRP筋的张拉及锚固技术;桥梁工程中采用FRP与混凝土复合箱梁、FRP配筋混凝土桥面板、隧道衬砌FRP加固技术的研究等。(2)FRP结构耐火极限和防火设计方法以及在特殊环境(高温、低温、冻融、潮湿等)和特殊荷载(冲击荷载、重复荷载等)作用下的性能等方面的研究亟待深入。⑶尽管对FRP加固技术进行了一些试验研究和理论研究，提出了一些构件的计算方法，但缺乏系统的理论分析和工程计算研究。因此,对FRP加固技术仍有许多研究工作需要开展,如FRP加固构件的延性评估、疲劳性能研究、挠度与裂缝的控制问题等。(4)我国铁路沿线有大批桥梁到了使用后期或已超期服役,FRP加固桥梁工程,特别是钢结构构件的加固还需做一定的研究推广工作。⑸用FRP筒体兼作模板现浇混凝土柱的研究已经引起很多专业人士的重视。FRP筒体不仅可提高柱的强度、延性,而且防腐、美观,这一技术亦需进一步研究推广。(6)在FRP加固混凝土结构技术方面作新的尝试,如混杂FRP加固技术、近表面镶嵌结构加固方法的研究等。5加快FRP技术在国内发展与应用的建议可以预见，FRP对于延长21世纪基础结构设施的工作寿命以及结构的可持续建设，将发挥主要的作用.国内在引入这门技术时，国外在某些方面从理论到工程应用都已非常成熟，因而起点较高，但总体上比国外还落后不少.关于FRP技术在我国的应用与发展，作者提出以下几点建议.a.积极加强产、学、研的结合，促进FRP产品的国产化，扩大产品的生产规模.目前虽然FRP的粘贴树脂已实现国产化，但FRP材料仍然大量依赖进口，使应用FRP技术的造价过高，不利于该技术的推广.b.研究开发FRP技术的各科研院所和高等院校之间进一步加强合作，少做国内外技术已经很成熟的重复研究，积极开拓FRP技术研究与应用的新领域.c.积极组织编制FRP及其相关产品的设计、施工与验收的技术标准和规程.d.国家应继续加大资金的投入，为研究者创造有利条件，拓宽和加深对FRP技术的基础研究.材料研制与工程技术部门要紧密结合，促进设计、施工及验收规程不断充实和更新，以推动FRP技术的广泛应用.6FRP复合材料应用展望随着经济高速发展和技术飞速进步，世界各国对土木工程的要求越来越高。在有些条件下传统建筑材料很难满足这种发展要求。FRP复合材料具有轻质，高强，耐腐蚀，抗疲劳，耐久性好，多功能，适用面广，可设计和易加工等多种优点。在重要的土木工