纤维增强复合塑料（FRP）多功能房性能及应用概述

常浩++傅丽强

摘要：

通过抗风试验、抗震试验、防雪承载试验、保温试验及防弹试验，表明用L-RTM成型方法制得的玻璃钢可以作为多功能房材料，满足其风吹日晒、酸碱侵蚀、移动便捷、安装方便等要求。更由于其可以具有一定保温防弹功能，拓展了使用领域。

关键词：玻璃钢；防弹；多功能房；L-RTM

活动房作为一种临时建筑形式有着悠久的历史，它源于民而标准化于军事。活动房可方便快速地进行组装和拆卸，能够重复使用，使得临时建筑进入到一个标准化设计、系列化开发、规模化生产、配套化供应、可库存、环保节能的定型产品领域。

目前国内的活动板房种类有以下三类：水泥活动房、磷镁活动房和彩钢板活动房。这三种活动板房在民用领域中正在大量使用。虽然在军用领域中也在使用，但其安装效率不高以及不具有防弹性能，大大降低了在军用领域使用的意义。

1 FRP多功能活动房性能

FRP（Fiber Reinforced Plastics），意即纤维增强复合塑料。FRP 由增强纤维和基体组成，基体常采用树脂。根据所采用的增强纤维的材料不同，可将 FRP 分为 GFRP（玻璃纤维增强塑料）、CFRP（碳纤维增强塑料）、AFRP（芳纶纤维增强塑料）等。在结构工程中最常用的是 GFRP和 CFRP。GFRP 在我国经常被称为玻璃钢，通常的 FRP 型材均为 GFRP。基体材料是热塑性树脂、聚酯树脂、乙烯树脂。FRP首次作为结构材料出现于 1942 年，美国军方用手糊的 GFRP 制作雷达天线罩。不同纤维的化学成分不同，力学性能也有较大差别，相应的力学性质表现出很大的差异。常见的几种力学性能见表1。

FRP复合材料具有以下优点：[1]

1）有很高的比强度，即通常所说的轻质高强。因此采用FRP材料可减轻结构自重。同时FRP的抗拉强度均明显超过了钢筋与高强钢丝差不多且在达到抗拉强度之前几乎没有塑性变形产生。

2）有良好耐腐蚀性。FRP可以在酸、碱 、氯盐和潮湿的环境中长期使用。这是传统结构材料难以比拟的。

3）具有很好的可设计性。FRP属于人工材料，可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向设计出各种强度指标、弹性模量以及特殊性能要求的FRP产品。 而且产品成型方便，形状可灵活设计。

4）具有很好的弹性性能 。应力应变曲线接近线弹性。在发生较大变形后还能恢复原状， 塑性变形小， 有利于结构偶然超载后的变形恢复。

5）FRP产品适合在工厂生产、运输、现场安装，有利于保证工程质量，提高劳动效率。

常用 FRP 型材材料和钢材的主要物理性能指标比较见表2，由表可知FRP 材料轻质高强，弹性模量低，且纵向模量与剪切模量之比远大于钢材。

FRP 材料由于轻质高强的性质，构件可预制，对基础的要求低，符合活动房的材料性质的基本要求。此外，FRP 还有着其他很多优点，如（1）FRP对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐及多种油类和溶剂的腐蚀抵抗能力；（2）FRP 是优良的绝缘材料，高频下仍能保持良好的介电性；（3）FRP 室温下的热导率只有金属的 1/100～1/1000，绝热性能优良；（4）FRP 有着很好的工艺性，对形状复杂、不易成型的产品，其工艺的优越性更为突出。

FRP多功能活动房是一种用复合增强材料经真空负压吸附而制成的、可快速组装的多用途轻质活动房，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力，耐高温、耐腐蚀以及耐候性强（抗紫外线、抗盐雾、抗酸碱性）等优越性能 。不生锈、不降低强度，具有抗震、抗风等优越性，阻燃性可根据要求而定，组装方便、快捷，产品光泽、顺滑，不需要二次装潢即可直接使用。

2 FRP多功能房设计及工艺

2.1 FRP 结构的设计方法

结构的设计方法从力学计算的角度可分为弹性设计法和塑性设计法；从可靠度的角度分为定值的安全系数设计法和概率设计法两大类，具体的分类见图1。

从力学计算的角度，FRP 结构的设计方法是弹性设计法。从可靠度的角度，FRP 结构目前主要有容许应力设计法和半概率极限状态设计法。

2.1.1 容许应力法

容许应力法是目前美国规范采用的设计方法。对于 FRP 型材，正常使用时其基本上是线弹性的，由于其正常使用时的荷载和破坏时的荷载是相近的，所以对 FRP 型材往往采用较大的安全系数。

2.1.2 半概率极限状态设计法

由于 FRP 型材的破坏为脆性破坏，且其在荷载长期作用下的性能研究尚不完善，基于此一般认为对其采用较大的可靠性指标，3.0～4.5。但是，由于FRP 结构的工程目前很少，对其结构或构件的可靠性指标研究缺少资料。因此要想采用由一次二阶矩法反推出来的荷载与抗力分项系数法还存在困难。

欧洲规范目前采用的设计方法是，基于半概率极限状态设计法的荷载与抗力分项系数的表达形式，即

式中 Sk，Rk ，Rd——荷载标准值，抗力标准值，荷载设计值；

γi ，γR——荷载和材料抗力分项系数，任何情况下， γR≥1.5；

γ1 ， γ2 ，γ3 ——分别为考虑材料参数的来源方法的、材料的制作工艺、荷载周期和构件使用温度的系数，取值见表3。

2.2 FRP成型工艺

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。

4）RTM法（树脂传递模塑）：主要使用国家有欧美各国、日本。

此外，还有纤维缠绕成型法、拉挤成型法和热压灌成型法等等。

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多功能房采用的生产工艺是L-RTM（轻型树脂传递模塑工艺）。L-RTM是近年来发展迅速的低成本制造工艺，目前在船舰、汽车、工业和医用复合材料领域中应用已有超过RTM工艺的趋势。

传统的RTM工艺，由于是闭模工艺，具有减少挥发性有机物（VOC）排放扩大可用原材料范围、降低用工成本、环境友善以及可得到两面光洁的产品等优点。但是在RTM工艺中，树脂的注入是在较高的压力和流速下进行的，因此我们要使模具的结构强度和刚度足够大，以使得在注射压力下不破坏、不变形。通常采用带钢管支撑的夹芯复合材料，或用数控机床加工的铝模或钢模，这使制造费用增大，只有产量足够大的产品，才能抵消模具费用。此外为了闭合模具，要使周边有足够的箝紧能力或使用闭合模具的压力系统。上述因素都限制了RTM工艺在大产品上的应用。

L-RTM工艺保留了RTM工艺的对模工艺，几乎保留了RTM工艺的所有的优点。但其上模为半刚性的玻璃钢（FRP）模，厚度一般为6mm～8mm，通常不需要用钢管加固，模具有一个宽约100mm的刚性周边，由双道密封带构成一个独立的密封区，只要一抽真空模具即闭合，非常方便、快捷。然后对模腔内抽真空，利用模内的负压和较低的注射压力将树脂注入模具，使树脂渗入预先铺设的增强纤维或预制件中。L-RTM的模具费用低，而且由于模内的受压降低，其模具已和开模相近，很容易从开模工艺的模具改造过来。L-RTM的主要设备包括树脂注入装置、模具、抽真空装置和其他辅助工具等。[2]

3 FRP多功能房拓展应用

玻璃钢是复合材料的一种，玻璃钢材料因其独特的性能优势，已在航空航天、铁道铁路、装饰建筑、家居家具、广告展示、工艺礼品、建材卫浴、游艇泊船、体育用材、环卫工程等相关十多个行业中广泛应用，并深受赞誉，成为材料行业中新时代商家的需求宠儿。

国内关于L-RTM工艺及产品的报道不多，但在国外的应用发展却很快，并有超过RTM技术应用的趋势。目前常见的应用领域，有航空航天、军事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天领域的舱门、风扇叶片、机头雷达罩、飞机引擎罩等：军事领域的鱼雷壳体、油箱、发射管等；交通领域的轻轨车门、公共汽车侧面板、汽车底盘、保险杠、卡车顶部挡板等；建筑领域的路灯的管状灯杆、风能发电机机罩、装饰用门、椅子和桌子、头盔等；船舶领域的小型划艇船体、上层甲板等。

用L-RTM工艺生产的FRP多功能房安装便捷，移动方便，美观大方，物美价廉以及其保温及防弹性能，配合防弹玻璃，可以为我边防官兵以及各地哨兵提供安全舒适的营房和岗亭。在多功能房的房顶可以添置太阳能电板，为那些身处戈壁海岛的官兵送去更多的温暖。对保障官兵住用，巩固和提高部队战斗力具有重要作用。（见图2，图3，图4）

FRP多功能房是一种可方便快速地进行组装和拆卸，能够重复使用，使得临时建筑具有标准化设计、系列化开发、规模化生产、配套化供应、可库存、环保节能等多种优异性能。但目前涉及研究和生产不多，特别对其性能了解不多，如果加大推广，特别是在国防领域，可以有力地提高后勤保障能力，军事和经济效益将十分可观。

参考文献：

[1]一鸣.中国玻璃钢行业产销需求与投资预测分析报告前瞻[R].前瞻资讯，2013 .

[2] 中国硅酸盐学会玻璃钢分会.第十七届玻璃钢复合材料学术年会论文集[C].广州：[出版者不详]，2008.（作者单位：北京航天试验技术研究所）