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FRP材料综合概述

日期: 2018-01-23
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FRP复合材料,学名纤维增强复合塑料(Fiber Reinforced Polymer)。作为建筑用材料,主要有FRP筋材、FRP型材、FRP管材,是一种由高强度纤维(如碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等)经树脂固化而成的新型材料,具有更优的工程力学性能和工程使用效果,属于“新材料-高分子材料-高性能高分子结构材料”领域,是现代新型材料重要的发展方向之一,广泛应用于土木建筑工程(包括房屋建筑、市政工程、公路工程、铁路工程等)、石油化工、海洋工程、电力工程、军工及航空航天等领域。

FRP材料具有轻质高强,耐腐蚀性能好,阻燃、绝缘(不导电)、绝热(不导热)、抗静电、无磁性等优异的性能,而且FRP材料及产品还具有可设计性好,施工快捷便利, 可以任意切割,工艺性优良等优良特性。其相对密度在1.5-2.0之间,只有碳钢的1/4-1/5,而拉伸强度为普通钢材的3~8倍;对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有很好的抵抗能力。FRP热导率低,室温下为1.25-1.67kJ/(m·h·K),只有金属的1/100-1/1000,是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下,是理想的热防护和耐烧蚀材料。 还可以根据需要,灵活地设计出各种结构产品,来满足使用要求,可以使产品有很好的整体性。工艺简单,可以一次成型,经济效果突出,尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品,更突出它的工艺优越性。FRP材料对钢铁材料的比较如表1所示。

 

表1 FRP材料对钢铁材料的比较


钢铁

GFRP材料

高强钢材

CFRP材料

典型强度(MPa)

235

700

1800

3000-3800

杨氏模量典型值(GPa)

210

35-55

195

130-190

密度(kg/m3

7800

1900

7800

1200

抗腐蚀能力

有锈蚀

无锈蚀

有锈蚀

无锈蚀

电磁性

强烈反射电磁波,铁磁性

不反射电磁波,

无磁性

强烈反射电磁波,铁磁性

不反射电磁波,

无磁性

原材料来源

资源稀缺

资源丰富

资源稀缺

资源丰富

抗震性能

较弱

较弱

 

1、密度低

GFRP的密度仅为1800~2100kg/m3,为钢材的23%~27%(钢材为7850 kg/m3)。

这个特点使得支架运输方便、施工便捷、安装时不需要起重设备,可以大幅降低运输和施工安装成本。而在山区山地,节省运输和施工安装成本更为明显。

2、强度高

FRP材料抗拉设计强度为450Mpa,为钢材的1.3–2倍(Ⅰ级钢235Mpa,Ⅱ级钢335Mpa)。若采用等强度截面设计,可以减小型材截面,从而减轻支架重量,进一步降低支架成本。

3、耐腐蚀性好

在PH=3的硫酸(H2SO4)溶液浸泡60d后(模拟自然条件下耐酸老化30年),强度降低约为7.2%;在PH=12的NaOH溶液浸泡60d后(模拟自然条件下耐酸老化30年),强度降低约为6.7%;在25℃下水里面浸泡半年后(模拟自然条件下耐潮湿老化50年) ,强度降低4.34%

4、抗紫外线能力强

在26℃下,紫外线强度为0.2MJ/(m2.h)下照射5周后(模拟自然条件下紫外线老化30年) ,强度降低8%左右。如果在GFRP的表面添加一种抗紫外线的保护层,紫外线阻隔率达到99.9%。而结构直接暴露于太阳光的照射下,FRP材料的强抗紫外线能力也使得结构的使用年限得到大幅延长。

5、可设计性强

FRP结构可以根据结构性能的不同要求选择基体和纤维材料及其配方和生产工艺,以满足对强度、刚度、耐腐蚀、耐紫外线特性、产品色彩等多方面的要求,以充分发挥FRP比强度高的优点,经济地使用材料。

6、易于成型

根据实际需求,制作成不同形状、不同规格的FRP型材。

7、维护性好

由于耐久性好,在设计年限内基本上是一种免维护的结构。这对保障光伏电站安全和降低维护成本很有意义。


    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。    

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)。

    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。

    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。 







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