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土木工程中纤维增强聚合物的应用
添加日期:2011-06-22   来源:   阅读次数:6

    通过分析FRP的特点,介绍了FRP在国内外研究的成果和应用状况,分析了FRP种类、FRP树脂胶、FRP层数和纤维方向等对防腐效果的影响,并FRP在土木工程应用中的前景进行了展望,针对目前应用技术中存在一些问题提出了建议。

 

  复合材料研究日新月异,其中纤维增强塑料复合材料(FRP),也可称之为纤维增强聚合物或纤维增强复合材料,是一种新型复合材料,主要由高性能纤维、聚醋基、乙烯基等单相基体组成。目前纤维增强聚合材料已成为材料科学的重要分支,以其优异的性能及增强结构在各领域得到了广泛运用,在先进聚合物中,目前最常用的增强纤维碳纤维玻璃纤维、植物纤维有机纤维

 

  一、纤维增强聚合物的发展概述

 

  ()纤维增强聚合物性能特点

 

  纤维增强聚合物性能主要特点是性能的可设计性和各向异性,可以根据不同聚合物和增强材料,以及不同的配方、成型工艺等,按不同的铺设方法达到各向不同的性能,从而达到产品设计的目的。

 

  增强纤维或织物,能承受很大的拉伸力,其本身质地柔软,所以不能承受压缩力的,当聚合物复合材料承受压缩载荷时,就靠聚合物基体把增强纤维或织物粘结成整体时来承受。因此,聚合物复合材料的压缩性能与聚合物的品种、性能、成型工艺、二者的界面等的关系紧密,对于同一种复合材料来说,压缩性能变化同样大。一般情况下高温高压成型时形成的压缩性能高,有的甚至于高于拉伸性能。一般聚合物复合材料是不阻燃,必须加阻燃剂,按产品设计要求加不同阻燃剂及含量,达到一定的氧指数,指标等。FRP还具有较好的阻尼性,本身的化学结构特性使得纤维聚合材料具备很强的降低振动和减噪功能,这一点在土木建设工程中得到了广泛运用。

 

  ()纤维增强聚合物发展现状

 

  我国的纤维复合材料工业是从六十年代中期引进国外先进技术和设备而起起步的,我国热塑性复合材料的产量和品种与工业发达国家相比,依旧处于较低的水平上。八十年代中期,尼龙、聚碳酸酷等开始小批量生产。主要用于电子电气及化工领域。国内基本形成生产体系复合材料的基本性能在很大程度上取决于增强材料的分散性、含量以及纤维与基体界面的粘结特性。目前,国内以高强玻璃纤维应用最广基碳纤维生产能力较大但碳纤维品种和规格较少,但是我国已经具备了加速发展的基础条件。国外碳纤维及复合材料业已步入良性循环,而我国目前尚不具备国际竞争能力。

 

  二、纤维增强聚合物在土木工程中的应用

 

  与其他国家相比,美国、日本为首的发达国家对FRP材料及加固后结构的性能研究已处于世界领先地位。混凝土结构固中应用最多的是CFRP材料,我国CFRP在修复加固中的技术水平远不如国外,随着我国材料技术的发展,纤维聚合物在木工程的利用范围逐渐增加形成了几个主要分支。

 

  FRP在土木工程中应用最为广泛的便是碳纤维修补增强技术。碳纤维复合材料修复补强技术包括由日本三菱化学公司提出Obayashi-Mit-subishi法,SIKA法、Mbrace法,还有使用碳纤维预浸带人工环绕纠缠在需要增强的柱、梁的表面的绕纠缠法等。纤维聚合物的另一个应用领域是在建筑加固技术的应用,作广泛的材料是碳纤维增强聚合物,碳纤维增强聚合物具有很高的强度,高强度高弹性的CFRP的极限抗拉强度高于普通钢的十倍以上,且有耐腐蚀性及耐久性,施工便等优点,在许多情况下比其它加固方法更具有优势。

 

  另外,纤维聚合无替代混凝土也是其重要的应用领域之一,钢筋锈蚀将严重地影响结构功能的正常发挥解决钢筋锈蚀所引起的混凝土结构耐久性问题的一种有效方法是采用FRP筋来代替钢筋和预应力钢筋。

 

  

 

  三、FRP在在土木工程应用中的不足

 

  近几年,预应力FRP片材技术受到了较多的关注。但存在一些缺陷,主要是:对无树脂连续纤维进行张拉时,初始预应力过低,松弛损失。因而影响效益。另外外贴式的加固,其耐久性还是一个难题。

 

  其次:

 

  技术标准不规范,很多国家在上世纪90年代就完成了较多的规程,我国直到1999年才着手于有关FRP加固修复混凝土结构的标准和编制,在技术规范化上,我们还有很多工作要做。

 

  第三点:

 

  工程应用盲目,尽管FRP存在很多优越性,但依旧有不足的地方,我们在工程中要合理科学的运用FRP的长处,而不是滥用,随着合成材料技术的日渐成熟,将会有跟多的纤维聚合物出现,我们要选择最合适的方法应用,同时,考虑到FRP是合成开发的,经济消耗还是很高,在施工过程中,能够使用传统材料的话在同样的技术标准下,最好选择最经济的方案。随着国家有关部门的重视,全体科研人员的不懈努力下,统一协调市场开发力量’促使引进技术和生产线尽早开动起来。无论产品品种、规格和性能、自动化程度,还是生产能力,都必然迈上一个新台阶。只要我们坚持不懈地努力工作,这个目标离我们一定不会太远。

 

  四、纤维增强聚合物在土木工程使用中的一些建议

 

  FRP在土木工程中应用历史不长,技术上与发达国家有一定差距,FRP在振动、耐腐蚀、控制中扮演十分重要的角色应当在复合材料的功能设计中占有一席之地。虽然复合材料研究目前已有了较大的发展,但是如何能在实际工程中有效应用仍需要大力研究。我们面临的问题是,基础及研究工作不够深入,目前企业生产通常是从国外引进生产线,由于对行业技术的不熟悉,引进过程中存在很多盲目性。而我们的基础研究工作相当肤浅,事前应用超前于理论研究,实验研究多余理论分析,在不少理论及设计实验方法上,我们一片空白。根据本领域的研究现状来看,其今后发展需要重点研究方向有一下几点:

 

  一是提高各项性能预报的精度,改进和发展聚合材料组分的基本弹性及其他性能的实验方法和测试手段;

 

  二是将纤维复合材料和粘弹性在结构中一起使用,两种材料优势互补。在阻尼、刚度和强度性能上能够获得单纯复合材料所达不到的理想效果,是今后复合材料阻尼增强的一条有效途径。

 

  另外复合材料的细观损伤及其演化过程产生的机理尚不清楚,缺乏对此进行定量分析需要的共事和实验模型。

 

纤维增强聚合物发展的动力,来源于人们对现代高技术领域内的先进复合材料在应用中的重要性和必要性在认识程度的提高。因为在利用先进复合材料发展新型建筑材料,防腐、抗击、抗震的影响是最不容忽视的,因此揭示纤维聚合物宏观能量耗散产生的内在机制,建立复合材料性能预报的定量理论与方法,根据工程需要选择合适的组分材料、设计阻尼性能优异的纤维增强复合材料,以上诸多方面的纤维增强复合材料阻尼研究工作,从理论和实践两方面都具有重大的现实意义。

 

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