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    FRP材料百科


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           纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,簡稱FRP),現有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP復合材料是由纖維材料與基體材料(樹脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。特點:質輕而硬,不導電,機械強度高,回收利用少,耐腐蝕。

    簡介

    FRP,纖維增強復合塑料,是英文(Fiber Reinforced Plastics )的縮寫,現有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。中文中玻璃鋼指的就是GFRP。 FRP復合材料是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。其中GFRP根據所使用的樹脂品種不同,有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等種類。一般FRP具有質輕而硬,不導電,機械強度高,回收利用少,耐腐蝕等特性。 
    隨著社會科學技術的進步, 土木工程結構學科的發展, 在很大程度上得益于性質優異的新材料、新技術的應用和發展, 而FRP以其優異的力學性能及適應現代工程結構向大跨、高聳、重載、輕質發展的需求, 正被越來越廣泛地應用于橋梁工程、各類民用建筑、海洋工程、地下工程中, 受到結構工程界廣泛關注。
    性能特點

    抗拉強度

    抗拉強度高, FRP的抗拉強度均明顯高于鋼筋, 與高強鋼絲抗拉強度差不多, 一般是鋼筋的2倍甚至達10倍。但FRP材料在達到抗拉強度前,幾乎沒有塑性變形產生, 受拉時應力、應變呈線彈性上升直至脆斷, 因此FRP復合材料在與混凝土結構共同作用的過程中, 往往不是由于FRP材料被拉斷破壞, 而是由于FRP-混凝土界面強度不足導致混凝土結構界面被剝離破壞, 所以, FRP-混凝土界面粘結性能問題成為今后工程應用的一個重點和難點。

    熱膨脹系數

    FRP復合材料熱膨脹系數與混凝土相近, 這樣當環境溫度發生變化時, FRP與混凝土協調工作,兩者間不會產生大的溫度應力。

    彈性模量

    與鋼材相比, 大部分FRP產品彈性模量小。約為普通鋼筋的25%~ 75%。因此, FRP結構的設計通常由變形控制。

    抗剪強度

    因為FRP是纖維通過基體聚合而成,纖維間強度由基體決定(強度一般弱于纖維),所以垂直于纖維方向強度較弱。FRP的抗剪強度低, 其強度僅為抗拉強度的5%~20%, 這使得FRP構件在連接過程中需要研制專門的錨具、夾具。這也使得FRP構件的適度成為研究突出的問題。

    抗腐蝕、抗疲勞性能

    FRP材料抗腐蝕、抗疲勞性能好, 可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環境中長期使用, 因而可提高結構的使用壽命, 這是結構材料難以比擬的。但同時, 與一般混凝土相比較, FRP復合材料的防火性能偏差, 這也制約了該類結構產品的推廣應用, 成為今后要解決的問題之一。

    重量

    比強度很高,即通常所說的輕質高強,因此采用FRP材料可減輕結構自重,施工方便, 其重量一般為鋼材的20%。

    良好的可設計性

    FRP屬于人工材料可根據工程需要采用不同纖維材料纖維含量和鋪陳方式等不同工藝設計出不同強度指標、彈性模量及特殊性能要求的FRP產品,且FRP鏟平形狀可靈活設計。
    工廠化生產,現場安裝,有利于保證工程質量提高勞動效率和建筑工業化。

    其他優勢

    絕緣、隔熱及透電磁波等,因此可用于一些特殊場合如雷達站地磁觀測站醫療核磁共振設備結構等。 FRP的生產方法基本上分兩大類,即濕法接觸型和干法加壓成型。如按工藝特點來分,有手糊成型、層壓成型、RTM法、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無模手糊法。
    目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。
    ①手糊法:主要使用國家有挪威、日本、英國、丹麥等。
    ②噴射法:主要使用國家有瑞典、美國、挪威等。
    ③模壓法:主要使用國家有德國等。
    ④RTM法:主要使用國家有歐美各國、日本。
    我國有90%以上的FRP產品是手糊法生產的,其他有模壓法、纏繞法、層壓法等。日本的手糊法仍占50%。從世界各國來看,手糊法仍占相當比重,說明它仍有生命力。手糊法的特點是用濕態樹脂成型,設備簡單,費用少,一次能糊10m以上的整體產品。缺點是機械化程度低,生產周期長,質量不穩定。我國從國外引進了擠拉、噴涂、纏繞等工藝設備,隨著FRP工業的發展,新的工藝方法將會不斷出現。
    frp學名玻璃纖維增強塑料。它是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料,以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。復合材料的概念是指一種材料不能滿足使用要求,需要由兩種或兩種以上的材料復合在一起,組成另一種能滿足人們要求的材料,即復合材料。例如,單一種玻璃纖維,雖然強度很高,但纖維間是松散的,只能承受拉力,不能承受彎曲、剪切和壓應力,還不易做成固定的幾何形狀,是松軟體。如果用合成樹脂把它們粘合在一起,可以做成各種具有固定形狀的堅硬制品,既能承受拉應力,又可承受彎曲、壓縮和剪切應力。這就組成了玻璃纖維增強的塑料基復合材料。由于其強度相當于鋼材,又含有玻璃組分,也具有玻璃那樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能,象玻璃那樣,歷史上形成了這個通俗易懂的名稱“玻璃鋼”,這個名詞是由原國家建筑材料工業部部長賴際發同志于1958 年提出的,由建材系統擴至全國,仍然普遍地采用著。由此可見,玻璃鋼的含義就是指玻璃纖維作增強材料、合成樹脂作粘結劑的增強塑料,國外稱玻璃纖維增強塑料。隨著我國玻璃鋼事業的發展,作為塑料基的增強材料,已由玻璃纖維擴大到碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等,無疑地,這些新型纖維制成的增強塑料,是一些高性能的纖維增強復合材料,再用玻璃鋼這個俗稱就無法概括了?紤]到歷史的由來和發展,通常采用玻璃鋼復合材料,這樣一個名稱就較全面。

    組成種類


    FRP由增強纖維和基體組成,一般用玻璃纖維增強不飽和聚脂、環氧樹脂與酚醛樹脂做基體,以玻璃纖維或其制品作增強材料的增強塑料。纖維(或晶須)的直徑很小,一般在10μm以下,缺陷較少又較小,斷裂應變約為千分之三十以內,是脆性材料,易損傷、斷裂和受到腐蝕;w相對于纖維來說,強度、模量都要低很多,但可以經受住大的應變,往往具有粘彈性和彈塑性,是韌性材料!」こ探Y構中常用的FRP主材主要有碳纖維( CFRP)、玻璃纖維( GFRP)、及芳綸纖維( AFRP), 其材料形式主要有片材(纖維布和板)、棒材(筋材和索材)及型材(格柵型、工字型、蜂窩型等)。

    應用


    FRP復合材料在土木工程領域的應用快速增長,可用于包括柱、墻、梁、板及面板的抗震及補強加固,新的增強構件、結構形式及結構體系也正在研究、開發和應用。
    1、建筑工程
    結構設計正轉向基于性能的設計,對結構及材料性能的要求也提高了。FRP材料已用于新建結構的框架以提高其結構性能,還被大量應用于舊有民用建筑的維修加固。
    2、巖土工程
    FRP纖維復合材料在長期惡劣的地質條件下具有良好的耐腐蝕性能,已廣泛用于加筋土中;FRP復合材料易被掘進機具切斷,故可用于盾構法掘進豎井的混凝土墻、土釘及臨時支護用的復合材料地錨,如用鋼錨則會導致挖掘機機頭的斷裂。因GFRP復合材料價格低廉,安裝方便,耐久性強,已用于潮汐變化的干濕交替的擋土墻、地基錨桿及噴射混凝土筋等。
    3、橋梁工程
    FRP復合材料應用于橋梁工程起始于70年代末和80年代初期?捎米鲬宜鳂蚣靶崩瓨虻睦|索、預應力混凝土橋中的預應力筋,甚至可以用于整個橋梁體系;另外在橋梁補強加固方面也有應用。
    4、海洋結構和近海結構
    海洋結構和近海結構的腐蝕問題一直比較突出,對于鋼結構更是如此,因而采用抗腐蝕性能良好的FRP可以很好地解決該問題,具有很好的發展前景。在建的海洋鋼筋混凝土結構,采用最厚的混凝土保護層(一般為150mm左右,相當于陸地混凝土結構保護層的5倍以上)及防腐措施,其對內部鋼筋防氯鹽腐蝕也僅有15年左右,這與永久或半永久性的海洋結構耐久要求相距甚遠。采用FRP混凝土或FRP-混凝土組合結構就可以從根本上解決海洋工程中的鋼筋(鋼材)腐蝕問題,其重大意義不言而喻。

    現狀趨勢


    FRP復合材料的研究開發和應用在歐美發達國家以及日本, 已成為十分活躍的領域。在今后一個時期, FRP作為一種高性能材料以其輕質高強、耐腐蝕、耐久性能好、施工便捷等性能特點, 必將成為各類道路、橋梁、民用建筑結構的養護、檢測和維修的必要補充材料, 并得到廣泛應用, 給我國的建筑經濟領域帶來不可忽視的綜合效益。 




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