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1 FRP复合材料 1.1 FRP复合材料特性

复合材料(Composite Material)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(Fiber ReinforcedPlastic, 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/Epoxy Fiber Reinforced Plastic,GFRP).从1959开始,工业界开始生产和应用复合材料.

1.2 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(Strength to Weight Ratio)及刚度对重量比(Stiffnes to Weight Ratio),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. 2 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。

2.1 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ISIS CANADA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”、“ConFiberCrete Network”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。 2.2 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〔4〕.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