FRP复合材料在工程中的应用及其前景
王建翎
摘?要：钢结构、钢筋混凝土结构、木结构、砖石结构在工程中应用广泛，但各材料存在或自重大，或耐久性不足等缺点，甚至成为工程安全隐患，因而限制了其应用范围。随着城市化进程的稳步提升，工程相关产业蓬勃发展，FRP复合材料以其轻质高强，耐腐蚀，弹性性能好，易成型等优势受到广大工程建设者的青睐，在工程中发挥着重要作用。以FRP复合材料为研究对象，结合FRP材料性能上的特点，介绍了现阶段国内外FRP复合材料应用情况，并展望了其未来的发展，为传统材料性能上的不足提出新的解决方案。
关键词：复合材料，FRP应用，强度，腐蚀
文章编号：2095-4085（2020）02-0012-03
纤维增强复合物（Fiber Reinforced Polymer）简称FRP复合材料，它源自上世纪四十年代，应用于船舶化工、航空航天、机械交通等领域。二十世纪七十年代，FRP复合材料以其密度小，耐腐蚀，抗拉强度高等优点受到工程师们的重视，被应用于桥梁结构及房屋建筑修复与加固。1982年，我国在北京密云采用FRP建成第一座简支公路桥，阪神地震后FRP常被用于工程加固。
纤维复合材料是把树脂聚合物（如环氧树脂、不饱和树脂、乙烯基酯树脂等）作为基底材料，高性能的纤维作为增强材料与之胶合凝固，高温固化并加以挤压，拉伸成型的新型复合材料，其中纤维是主要受力单元，纤维丝的含量越高，抗拉强度随之越高，如GFRP抗拉强度达到钢筋屈服强度的两倍，但随着纤维含量的增加，材料的延性会受到影响[1]。按增强材料的材质主要可划分为CFRP（碳纤维增强复合材料），AFRP（芳纶纤维增强复合材料），GFRP（玻璃纤维增强复合材料），BFRP（玄武岩纤维增强复合材料）等。基于其力学性质，可以将其制成多种材料形式，主要有片材（纤维布和板），棒材（筋材和索材），型材（格栅型、工字型、蜂窝型）。
1?FRP材料优势
1.1?比强度，比刚度高
FRP型材是轻质高强材料，其密度只有碳素钢的1/4～1/5，抗拉强度接近碳素钢，为普通钢的10倍[2]。因此，FRP型材以其轻质便携为制造组装带来极大的方便，可以在工厂预制生产后运送至施工现场，从而大大降低了运输成本，满足现代装配式建筑对应用材料的需求。同时现场吊装时因其荷载较小，可以节省安装人力和时间，提高施工效率。
1.2?耐疲劳（徐变小）
FRP的拉伸性能优良，一般金属的疲劳强度是抗拉强度的40%～50%，而复合材料的能高达70%～80%。此外纤维含量越高，复合材料的徐变越小，当纤维含量相同时，有CFRP<GFRP
1.3?减振性能强，安全性好
由于基底材料和纤维之间的阻尼较大，FRP抵抗振动的能力较强。如果上部荷载过大，使构件的承载力超限而导致少量纤维断裂，会使其应力重新分布并传递到未破坏的纤维上去。
1.4?耐化学腐蚀性好
随着施工技术的不断改进，人们的施工环境和条件越来越复杂。在酸雨，地下水，河砂海砂密布的地方，钢筋的锈蚀非常严重，而使用FRP制成的型材抵抗化学腐蚀的能力非常好。它不仅适用于酸性，碱性，有机溶剂的环境，还能抵抗海水腐蚀，微生物的作用等，因而FRP应用面广。
2?FRP复合材料在工程中的应用
2.1?FRP拉伸性能的应用
2.1.1?应用FRP材料代替钢材与海砂制备混凝土
在沿海地区，修建港口，码头，海水钻井平台，大型桥梁等工程时往往需要大量使用海砂，而时间一长海砂的使用会对钢筋混凝土的结构造成腐蚀性破坏，使工程的安全性大大降低，例如浙江、台湾等地区一度出现海砂屋的现象。
为了解决腐蚀的问题，工程师们将FRP筋与海砂和混凝土混合使用。由于FRP筋耐化学腐蚀性能好，它对富含氯离子的环境极其不敏感，再加上制作过程中对FRP筋的浸制起到一定的保护作用，因此用FRP筋代替钢筋，既能很好的发挥FRP的抗拉性能，又很好地避免了海中结构因腐蚀性能失效的问题，大大提高了构件的耐久性。其应用方法主要有两种。
（1）用FRP筋代替纵向受拉钢筋和箍筋，FRP管代替钢管，用海砂混凝土代替河砂混凝土，保证了结构的安全性能。
（2）制造沉管或柱时，利用FRP材质制作隔离层，将钢管与海砂混凝土隔离，避免了海砂混凝土中氯离子对钢管的锈蚀，延长构件的使用寿命[4]。
2.1.2?用于软岩隧道的支护系统
FRP抗拉强度较大，常常运用FRP格栅支护系统。使用FRP材料支护，不仅保证了隧道结构的稳定性，而且和其他支护方法相比，大大减小了防护层厚度，施工难度低，保证了支护系统在有限的空间里达到抵抗变形的要求。根据软岩地质条件的不同，通常分为格栅支护、格栅加铆钉、格栅加混凝土的复合支护方法。FRP解决了隧道支护中长期应力作用下受压破坏、支护构件被腐蚀以及支护结构占用大跨度空间的问题[5]。
2.1.3?FRP筋、钢筋混合配置混凝土结构
FRP筋的重量约为普通钢筋的1/5，强度为普通钢筋的6倍，工程中可用于受力筋、预应力筋。传统的鋼筋混凝土结构通常都是带裂缝工作的，如果一味的增加保护层厚度，则会造成裂缝宽度过大。这时，若将FRP筋配置于钢筋外侧，利用FRP筋与混凝土之间的稳定滑移性能限制混凝土裂缝的开展，一方面起到了保护钢筋的作用，另一方面大大减小了混凝土保护层的厚度，提升了钢筋的效率。同时，传统结构在应力达到屈服强度以后刚度接近于零，结构屈服以后损伤发展过快，而FRP筋-混凝土结构可显著控制残余变形，保证结构的二次刚度，避免了结构因变形过大而无法继续使用。此外，设计时还应考虑混凝土与FRP筋的粘结强度，以保证二者的共同工作[6]。
2.1.4?建筑物加固补强
结合FRP材料的优点，FRP材料被广泛应用于混凝土结构的加固当中。目前利用FRP补强加固的方法主要有4种。
（1）利用FRP片对混凝土柱包裹缠绕，这种方法可有效提高混凝土柱的抗拉强度和抗震性能，避免混凝土开裂，提高其刚度。
（2）对于有空间跨度的梁、楼板，常将FRP片粘贴于构件的受拉侧，这样一来有利于提高构件的抗弯能力。这种方法与梁、板的配筋率有关，在老旧房屋加固、震后房屋修复方面得到广泛使用，还适用于钢结构、木结构的加固补强。
（3）对于混凝土柱、梁，用FRP片绑扎包裹，外围再用FRP布缠绕加强，这种方法本质上是前两种方法的组合，可以大大提高结构的抗剪、抗弯、抗压能力，缺点就是耗材量较多。
（4）用FRP替代钢筋或钢管，适用于对破损梁的加固，通常情况下沿拉应力平行的的方向粘贴纤维附着在结构上。
2.1.5?超大跨轻量化拉索
悬索桥跨越能力大，抗震性能好，轻质美观，是绝大多数大跨度桥梁的首选。而良好的抗拉強度才能有效保证悬索的承载力。传统的钢悬索随着桥梁跨度的增加，悬索自重占桥梁重量的比例越来越大，导致承担自身重量的应力越来越大，承担行车荷载的工作应力显著减小，钢悬索承载效率下降严重。桥梁跨度越大，使用的钢悬索自重，尺寸也越大，大大增加了桥梁的施工成本。取而代之，FRP拉索自重小，拉伸性能好，抗疲劳，耐腐蚀，如果用它代替传统钢悬索，可以有效解决以上难题。现阶段应用比较普遍的是CFRP材料，抗弯折、抗滑移性能好，但抵抗风荷载的稳定性不足，成本偏高。但如果采用纤维混杂的方法，在不同跨度区域合理布置相应的不同材料FRP拉索，能够提高斜拉桥的自振效率，提高抗风荷载的能力，满足静力性能的设计要求，降低成本[7]。
2.2?FRP耐腐蚀性能的应用
2.2.1?FRP管用作桩柱
对于跨度大的斜拉桥、悬索桥，墩柱、桩基础长期和水接触，往往是腐蚀的最严重的地方。现阶段生产FRP管，并在管中现浇混凝土，利用纤维增强材料的耐化学腐蚀性能，既保证了结构的耐久性，又保证了桩柱的刚度和承载力，同时因其方便、可行大大加快了施工速度。为改善受力性能，还可在FRP管内增设FRP肋，以提高构件的局部稳定性[8]。
2.2.2?电缆支架，疏散平台
地铁车站隧道，铁路山体隧道的管线，构件因潮湿的环境极易被腐蚀，采用纤维增强材料制造铁路轨枕，电缆支架，地铁护罩，疏散平台等，大大提高了其耐久性能，保证了设备的正常使用，避免了零件的锈蚀和各种电化学腐蚀，从而减小了线路检修维护的工作量[9]。
2.3?FRP耐疲劳性能的应用
2.3.1?FRP-混凝土组合梁
在大跨度，特别是跨海大桥的施工中，FRP因其耐疲劳、抗拉强度大、耐腐蚀，其优越性远远大于钢-混凝土梁，主要由上部的混凝土板承受压力，下部的FRP梁受拉，两种材料间通过剪力连接件保证协同工作。
随着国内外对结构抗疲劳性能的要求越来越高，进一步提升耐疲劳、耐腐蚀性能是FRP创新应用的要求。改善其耐疲劳，耐腐蚀性能与基底材料树脂和纤维树脂界面层有直接的关系，一是改用不同于以往的树脂类型热塑环氧树脂，这种树脂韧性大，二次成型较好。二是涂层处理改善界面性能[10]。
2.3.2?修复管道缺陷
碳纤维增强材料（CFRP）是一种优良的管道补强材料。它弹性模量较高，利用该材料修复的管道不但能保证正常的承载力，而且产生的徐变较小。如今，CFRP可用来修复水泥，塑料，金属材质的流体运输管道，所能承受的温度从-30℃～260℃不等，而且埋地式，跨越式管道均可修复。在修复工艺中，应当注意的是，用按一定比例配置的环氧粘浸胶均匀涂抹在管道缺陷处后，用碳纤维片材包裹缠绕，缠绕过程中不要产生气泡，用工具滚压[11]。
相比于焊接、夹具等方法，碳纤维补强施工简便、风险低，补强效果好，完工以后能使用寿命达到50年以上，节省了后期检修维护的费用，在陕京输气管道，秦京输油管道，上海东海天然气西线管道等大型管道工程中得到了应用，此外，它还被应用于北京某燃气管道凹坑等机械修复当中[12]。
3?FRP材料不足
3.1?抗压强度，抗剪强度低
FRP型材是各向异性材料，相比于抗拉强度，FRP抗剪强度和抗压强度远没有抗拉强度高，其层间剪切强度主要是由树脂承担的，约为抗拉强度的5%～20%，这使得包含FRP型材的节点难以处理。如果采用传统节点如螺栓节点和胶结节点，常常由于节点破坏使节点失效，失去了传递荷载，保证结构整体性的功能，与“强节点弱构件”的原则相悖[13]，不能发挥FRP轻质高强的优势。
3.2?损伤不能有效进行检测
老化是材料的普遍现象，FRP也不例外，在化学介质，应力，交变载荷，环境等作用下FRP会产生多种损伤模式，进而强度下降，影响其使用寿命。由于不同损伤模式之间相互诱发和耦合以及FRP应用环境的多变性和复杂性，给FRP剩余强度的评估和使用寿命的预测带来不便[14]。
3.3?阻燃性差
一般FRP材料临界温度在300℃左右，火灾环境下容易被点燃，树脂基体容易软化，从而使FRP力学性能下降，此外部分树脂本身有可燃性。为解决此问题， 可选择添加阻燃剂或者在型材表面增加防火涂层以提高构件的防火性能[15]。
3.4?FRP材料未来发展方向及应用前景
随着社会和经济的飞速发展，传统材料以其不环保、非可持续，自重大等缺点而应用受限，难以满足工程需求。与之相比，FRP材料具有密度小，耐腐蚀，抗拉强度大，抗疲劳、易于加工和成型等优势适用于常规及严酷，复杂，多变的施工环境。未来，FRP材料将在超高层，大跨度桥梁及房屋的加固与修复工程中，具有广阔的应用前景。此外，FRP材料也可应用于海洋桥梁施工方，未来可结合建筑物所在海洋环境，进一步深入研究其腐蚀机理和性能提升，从而实现损伤可控，耐久性更强等优点，从而促进轻质高强，抗疲劳，耐腐蚀增强材料的推广应用。
