第三章 纤维复合材料

第三章纤维及纤维复合材料纤维材料纤维材料通常作为复合材料的增强材料，复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。纤维增强聚合物复合材料纤维增强聚合物复合材料（FRP）是用玻璃纤维、碳纤维、塑胶等纤维用环氧树脂粘剂拌和在一起组成的复合材料。除了玻璃纤维、碳纤维外，作为纤维增强材料的还有硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。这种材料强度很高,接近高强预应力钢筋。与传统结构材料相比,FRP具有高强、轻质、耐腐蚀和施工方便等优点。一、玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料（GFRP,也称玻璃钢），是由合成树脂和玻璃纤维或其织物经复合工艺、制作而成的一种用途广泛的复合材料。它具有玻璃般的透明性或半透明性，又具有钢铁般的高强度而得名。如用玻璃纤维去增强热塑性塑料，可称为热塑性玻璃钢；如用玻璃纤维增强热固性塑料，就叫做热固性玻璃钢。目前生产的玻璃钢主要指热固性而言。（一）玻璃钢的性能特点玻璃钢有三大优点：一是玻璃钢的密度小，强度大，比钢铁结实，比铝轻，比重只有普通钢材的1／4～l／16，而机械强度却为钢的3～4倍；二是玻璃钢具有瞬间耐高温特性；三是具有良好的耐酸碱腐蚀特性及不具有磁性。另外，玻璃钢容易着色，能透过电磁波等特性。另外，着色性非常好。由于玻璃钢的优异性能，其在建筑业的作用越来越大。许多新建的体育馆、展览馆、商厦的巨大屋顶都是由玻璃钢制成的。玻璃钢还有优良的耐腐蚀性，从而成为一种重要的耐腐蚀材料。如用作为化工厂的反应釜和管、阀门、泵、风机，运输腐蚀性液体的汽车槽车和火车槽车，在化工厂制作贮腐蚀性液体的贮槽、废酸废液池村里和大面积防腐蚀的地面。石油的腐蚀性也很强，玻璃钢可以用来代替钢管制造输油管、输油车，大大节约了钢铁。二、碳纤维增强塑料（一）碳纤维增强塑料的性能碳纤维增强塑料(CFRP)是由合成树脂和碳纤维纤维或其织物经复合工艺、制作而成的一种用途广泛的复合材料。碳纤维增强的热固性树脂主要用于强度和刚性要求较高、而密度要求较小的器械或设备中，用酚醛树脂和碳纤维制成的复合材料可作为宇宙飞行器外表面的防热层、火箭喷嘴等。而碳纤维与环氧树脂制成的复合材料由于强度高，多用于飞机和宇宙飞行器上作为结构材料。碳纤维增强聚合物可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度为150～200℃，聚双马来酰亚胺为200～250℃，而聚酰亚胺在300℃以上。这类碳纤维复合材料较多应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料中。新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板、撑杆、弓箭等都采用碳纤维增强塑料来做。（二）纤维增强聚合物在土木工程中的应用FRP使用灵活、方便，在土木工程中应用前景广阔。FRP可以做成加片材、强筋、FRP—混凝土组合结构、全FRP复合材料大型结构、FRP桥面板等。1.结构加固补强FRP片材可以直接粘贴在钢筋混凝土结构的梁、板、柱和墙上,利用其高强的抗拉能力直接提高这些结构构件的抗弯和抗剪能力；另一方面,FRP也可以以外包的方式从环向对混凝土施加约束,从而提高混凝土构件的抗压承载力及其延性性能。将这种材料加入混凝土内,不仅能显著地提高混凝土构件的承载力,而且能改善混凝土结构的抗冲击和耐疲劳性能,特别是具有很好的抗裂和控制裂缝宽度发展的能力。FRP能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求。因而被越来越广泛地应用于桥梁、各类民用建筑、海洋和近海、地下工程等结构中的维修加固。FRP加固现有结构,其简便的施工工艺及优良的加固效果得到土木工程界的普遍赞同。利用碳纤维增强塑料加固结构主要是将其粘贴在或植入结构或构件的受拉区表面，利用其高强性能来抵抗结构所承受的拉应力。在加固修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构及构件的承载力和延性，改善受力性能，达到高效加固修补的目的。这对于抗震加固补强具有重要意义。2.在新结构中的应用高性能FRP复合材料在应用于新建结构中，也是其一个最广阔的领域。由于其材料特点,可以为现代土木工程建设带来革命性的变化。采用FRP材料代替原有混凝土结构的钢材,会使原有的设计理论与设计方法发生较大改变。3.特殊条件下的应用（1）海洋环境下任何海洋资源的开发都离不开对海洋基础设施的建设,而在所有海洋基础设施的建设中,结构防腐问题一直是一个最突出的问题。目前在建的海洋钢筋混凝土结构,采用最厚的混凝土保护层(一般为150mm左右,相当于陆地混凝土结构保护层的5倍以上)及防腐措施,其对内部钢筋防氯盐腐蚀也仅有15年左右,这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远。采用FRP混凝土或FRP—混凝土组合结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋腐蚀问题.（2）高寒环境下高寒环境下,基础设施建设与维护费用昂贵,建设周期过长。因此,对于再建或拟建的各种基础设施项目(主要是公路与铁路等交通项目),提高其建设质量,减少维护费用是一个重大的技术问题。用FRP筋代替钢筋,做成免维护复合材料混凝土结构,从而达到提高基础设施耐久性与延长寿命的目的。（3）地质灾害防治用于地质灾害防治中永久锚固支护，对山体与边坡滑移治理最有效的办法就是采用预应力锚固支护技术。

土木合成材料土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型产品，是岩土工程中应用的合成材料的总称。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各种结构层之间，具有加强、保护岩土或其它结构功能的一种新型工程材料。它是以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，发挥加强或保护土体的作用。一、土工布用于织造土工布合成纤维主要为锦纶、涤纶、丙纶、乙纶，它们都具有很强的抗埋、耐腐性能。

二、土工膜土工膜主要功能为防止液体的渗漏和气体的挥发，它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。三、土工网四、土工格栅土工格栅主要用于加筋土和软基处理工程。使用聚丙烯制成的土工格栅抗拉强度大，伸长率小；高密度聚乙烯为原料的土工格栅抗拉强度小，伸长率大。五、土工格室特性：具有伸缩自如，运输可缩叠，施工时可张拉成网状，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体。材质轻、耐磨损，化学性能稳定、耐光氧老化、耐酸碱，适用于不同土壤与沙漠等土质条件。六、土工垫土工垫主要用于坡面防护、控制水土流失。与土壤、植被良好结合，促进织物生长，有效地防止水土流失，又被称为三维植被网。水泥沥青砂浆板式无碴轨道的稳定性高于有碴轨道,且维护工作量和费用均远低于有碴轨道,因此其在铁路建设尤其是高速铁路建设中越来越受到重视。板式无碴轨道是由长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座及凸形挡台组成的一种新型轨道结构。高速铁路所用板式无碴轨道要求