FRP科普

 纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP），现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。

简介

FRP，纤维增强复合塑料，是英文（Fiber Reinforced Plastics ）的缩写，现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。中文中玻璃钢指的就是GFRP。 FRP复合材料是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料。其中GFRP根据所使用的树脂品种不同，有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢等种类。一般FRP具有质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀等特性。

随着社会科学技术的进步, 土木工程结构学科的发展, 在很大程度上得益于性质优异的新材料、新技术的应用和发展, 而FRP以其优异的力学性能及适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求, 正被越来越广泛地应用于桥梁工程、各类民用建筑、海洋工程、地下工程中, 受到结构工程界广泛关注。

性能特点

抗拉强度

    抗拉强度高, FRP的抗拉强度均明显高于钢筋, 与高强钢丝抗拉强度差不多, 一般是钢筋的2倍甚至达10倍。但FRP材料在达到抗拉强度前,几乎没有塑性变形产生, 受拉时应力、应变呈线弹性上升直至脆断, 因此FRP复合材料在与混凝土结构共同作用的过程中, 往往不是由于FRP材料被拉断破坏, 而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致混凝土结构界面被剥离破坏, 所以, FRP-混凝土界面粘结性能问题成为今后工程应用的一个重点和难点。

热膨胀系数

    FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近, 这样当环境温度发生变化时, FRP与混凝土协调工作,两者间不会产生大的温度应力。

弹性模量

    与钢材相比, 大部分FRP产品弹性模量小。约为普通钢筋的25%~ 75%。因此, FRP结构的设计通常由变形控制。

抗剪强度

    因为FRP是纤维通过基体聚合而成，纤维间强度由基体决定（强度一般弱于纤维），所以垂直于纤维方向强度较弱。FRP的抗剪强度低, 其强度仅为抗拉强度的5%~20%, 这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具。这也使得FRP构件的适度成为研究突出的问题。

抗腐蚀、抗疲劳性能

    FRP材料抗腐蚀、抗疲劳性能好, 可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用, 因而可提高结构的使用寿命, 这是结构材料难以比拟的。但同时, 与一般混凝土相比较, FRP复合材料的防火性能偏差, 这也制约了该类结构产品的推广应用, 成为今后要解决的问题之一。

重量

    比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可减轻结构自重，施工方便, 其重量一般为钢材的20%。

良好的可设计性

    FRP属于人工材料可根据工程需要采用不同纤维材料纤维含量和铺陈方式等不同工艺设计出不同强度指标、弹性模量及特殊性能要求的FRP产品，且FRP铲平形状可灵活设计。

    工厂化生产，现场安装，有利于保证工程质量提高劳动效率和建筑工业化。

其他优势

    绝缘、隔热及透电磁波等，因此可用于一些特殊场合如雷达站地磁观测站医疗核磁共振设备结构等。

生产工艺

    FRP的生产方法基本上分两大类，即湿法接触型和干法加压成型。如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低压法和无模手糊法。

目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。

①手糊法：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹麦等。

②喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。

③模压法：主要使用国家有德国等。

④RTM法：主要使用国家有欧美各国、日本。

    我国有90%以上的FRP产品是手糊法生产的，其他有模压法、缠绕法、层压法等。日本的手糊法仍占50%。从世界各国来看，手糊法仍占相当比重，说明它仍有生命力。手糊法的特点是用湿态树脂成型，设备简单，费用少，一次能糊10m以上的整体产品。缺点是机械化程度低，生产周期长，质量不稳定。我国从国外引进了挤拉、喷涂、缠绕等工艺设备，随着FRP工业的发展，新的工艺方法将会不断出现。

    frp学名玻璃纤维增强塑料。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。例如，单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，是松软体。如果用合成树脂把它们粘合在一起，可以做成各种具有固定形状的坚硬制品，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，象玻璃那样，历史上形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”，这个名词是由原国家建筑材料工业部部长赖际发同志于1958 年提出的，由建材系统扩至全国，仍然普遍地采用着。由此可见，玻璃钢的含义就是指玻璃纤维作增强材料、合成树脂作粘结剂的增强塑料，国外称玻璃纤维增强塑料。随着我国玻璃钢事业的发展，作为塑料基的增强材料，已由玻璃纤维扩大到碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等，无疑地，这些新型纤维制成的增强塑料，是一些高性能的纤维增强复合材料，再用玻璃钢这个俗称就无法概括了。考虑到历史的由来和发展，通常采用玻璃钢复合材料，这样一个名称就较全面。

组成种类

    FRP由增强纤维和基体组成，一般用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂做基体，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料。纤维（或晶须）的直径很小，一般在10μm以下，缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以内，是脆性材料，易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度、模量都要低很多，但可以经受住大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是韧性材料。　工程结构中常用的FRP主材主要有碳纤维( CFRP)、玻璃纤维( GFRP)、及芳纶纤维( AFRP), 其材料形式主要有片材(纤维布和板)、棒材(筋材和索材)及型材(格栅型、工字型、蜂窝型等)。

应用

    FRP复合材料在土木工程领域的应用快速增长，可用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固，新的增强构件、结构形式及结构体系也正在研究、开发和应用。

1、建筑工程

    结构设计正转向基于性能的设计，对结构及材料性能的要求也提高了。FRP材料已用于新建结构的框架以提高其结构性能，还被大量应用于旧有民用建筑的维修加固。

2、岩土工程

    FRP纤维复合材料在长期恶劣的地质条件下具有良好的耐腐蚀性能，已广泛用于加筋土中；FRP复合材料易被掘进机具切断，故可用于盾构法掘进竖井的混凝土墙、土钉及临时支护用的复合材料地锚，如用钢锚则会导致挖掘机机头的断裂。因GFRP复合材料价格低廉，安装方便，耐久性强，已用于潮汐变化的干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋等。

3、桥梁工程

    FRP复合材料应用于桥梁工程起始于70年代末和80年代初期。可用作悬索桥及斜拉桥的缆索、预应力混凝土桥中的预应力筋，甚至可以用于整个桥梁体系；另外在桥梁补强加固方面也有应用。

4、海洋结构和近海结构

    海洋结构和近海结构的腐蚀问题一直比较突出，对于钢结构更是如此，因而采用抗腐蚀性能良好的FRP可以很好地解决该问题，具有很好的发展前景。在建的海洋钢筋混凝土结构，采用最厚的混凝土保护层（一般为150mm左右，相当于陆地混凝土结构保护层的5倍以上）及防腐措施，其对内部钢筋防氯盐腐蚀也仅有15年左右，这与永久或半永久性的海洋结构耐久要求相距甚远。采用FRP混凝土或FRP-混凝土组合结构就可以从根本上解决海洋工程中的钢筋（钢材）腐蚀问题，其重大意义不言而喻。

现状趋势

    FRP复合材料的研究开发和应用在欧美发达国家以及日本, 已成为十分活跃的领域。在今后一个时期, FRP作为一种高性能材料以其轻质高强、耐腐蚀、耐久性能好、施工便捷等性能特点, 必将成为各类道路、桥梁、民用建筑结构的养护、检测和维修的必要补充材料, 并得到广泛应用, 给我国的建筑经济领域带来不可忽视的综合效益。