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纤维增强复合材料(FRP)现状及发展趋势
发布时间:2022年06月14日

1. 既有研究概述

FRP 是由纤维和树脂基体通过一定工艺固化后形成的具有特定形状的结构材料,其中纤维一般包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等,树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂等。形成的 FRP 制品按纤维种类分为碳纤维FRP(CFRP)、芳纶纤维 FRP(AFRP)、玻璃纤维FRP(GFRP)、玄武岩纤维 FRP(BFRP)、混杂纤维 FRP(Hybrid FRP)[8] 等。FRP 普遍具有轻质高强和耐腐蚀性能,不同的 FRP 具有不同的力学、物理和化学性能,如 CFRP 具有高强度、高弹性模量特征;BFRP 和 GFRP 具有较好的延伸率。FRP按制品形式包括片材(布、薄板等)、筋材(光面、肋纹、缠绕等)、索材(平行索、绞索)、型材(具有一定截面形状的制品,如管材、工字型材等)、网格材(包括硬质的网格和柔性的格栅)等,如图 2 所示。其中,片材主要用于主梁、桥面板及桥墩加固;筋材可用于桥梁混凝土中的增强材料,也可用于结构加固;索材可用于斜拉桥拉索和悬索桥主缆,还可用作预应力加固;型材可直接作为桥面板结构,也可以和混凝土形成组合结构用于桥面板或桥墩柱;网格材可用于桥面结构及桥墩加固,还可作为增强材料用于桥墩柱,对混凝土施加约束作用,提高力学性能和耐久性。

图 2 土木工程用典型 FRP 制品

 

2. 发展趋势

(1)高耐腐蚀低成本 FRP

传统 FRP 包括 CFRP、AFRP 和 GFRP,其中CFRP 质量轻、强度高、长期性能和耐久性好,但价格昂贵,大规模运用于土木工程领域的成本过高;AFRP 长期蠕变大,且价格高;GFRP 成本较低,但强度和弹性模量较低,且耐碱性能较差。针对上述 FRP 的综合性价比瓶颈,目前已开发多种新型 FRP,其中新型 BFRP 以综合性价比突出的优势,近年来得到推广应用 [9~11]。

(2)可二次加工性 FRP 制品

传统热固性树脂 FRP 制品无法根据现场施工的需要在施工现场进行二次加工,箍筋、异形筋等需预制;热塑性 FRP 制品经过加热即可弯折,极大增加现场施工的便利性。目前研究与应用较多的热塑性 FRP 主要以聚丙烯、聚乙烯树脂为基体材料,这两种热塑性 FRP 存在硬脆、强度偏低,纤维和树脂的界面黏结性能较差等缺点。


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