FRP复合材料及其在土木工程中的应用

王水钦

摘 要：FRP复合材料在土木工程中的应用备受人们关注，这与其自身的特性有密切关系。本文首先描述了复合材料的概念及基本特性，并指出其在土木工程中的应用优势，讨论了FRP复合材料在土木工程中的具体应用表现，并对其应用前景进行了展望。

关键词：FRP复合材料 土木工程 工程应用

随着人们在土木工程建设中对技术研发力量的不断投入，新材料与新工艺的产生与应用正持续推动着土木工程的发展。FRP复合材料的诞生与应用同样为现代土木工程的发展贡献了力量。FRP复合材料即为加强纤维复合材料，是当前工业界中应用最为广泛且普遍的复合材料。积极研究FRP复合材料的特性，才能更好地总结FRP复合材料的应用优势，以便进一步扩大其应用的领域和范围。

1、复合材料的概念及基本特性

复合材料，是指含两种及以上材料组合而成的新型材料，且不同组合材料的比例往往不均等。从此概念看，当前客观存在的大多数事物都属于复合材料的范畴。具体到土木工程领域，常见的典型复合材料就是施工用混凝土。对现代工业而言，复合材料也被用于统称经人工制造合成不少于二相合成物质的多元材料，在基本的二相材料中，其中一相应视为加强材料，诸如玻璃、石墨、铜或碳化硅等物质，一般以颗粒或纤维状态存在；另一相视为基质，诸如高分子、低分子等不同聚合物、热固性聚合物、金属以及陶瓷等。复合材料的发展总体上经历了近80年历史，初期的复合材料以玻璃纤维复合材料为主，进入20世纪中叶后，工业界开始全面生产和推广应用复合材料。

2、FRP复合材料在土木工程中的应用优势

FRP复合材料从研发产生到后期发展应用，其支撑思想就是要将不同材料的特性进行整合，从而能够在有限的使用量基础上发挥各类加强材料和基质的不同特性，通过各种材料的有机组合，复合材料既能保持原有各类材料的物化属性与力学特性，也能够将各种特性进行有效的集中和增强，如在土木工程中所使用的钢筋混凝土复合材料，正是有效融合了水泥、砂石、骨料、添加剂、钢筋组织等不同特性，其中钢筋能够在具体的建筑物结构中承受主要的受拉应力，而混凝土材料则能够承受建筑物结构中的主要受压应力。有所区别的地方在于，很多FRP复合材料所受应力大部分经由其组成成分中的高强纤维承担，对于基质材料而言，将发挥传递剪力和包裹及保护纤维等作用。大量的事实表明，FRP复合材料正是因为有机融合了不同属性不同特质的材料，才能整体上发挥出更优越的性能，甚至会超越钢材等传统材料构件。总的来看，复合材料的显著优势在于具有超高的强度对重量比以及刚度对重量比。因而能够在航空航天领域应用广泛，实现质量轻但强度高的特点。与此同时，复合材料具有抗疲劳、抗腐蚀、磁电屏蔽、使用寿命长等优势。

3、FRP复合材料在土木工程中的具体应用表现

3.1 FRP复合材料加强筋。在具体的土木工程中，FRP加强筋可完全替代传统工艺中所用普通钢筋，从而有效解决原有材料的易锈蚀问题。并且由于复合材料的重量较轻并且抗疲劳能力出众，将在钢筋结构中取得最佳受力抗性表现。

3.2复杂环境下部结构应用。近年来，常常会出现水边码头区域的建筑结构地下基础部分性能劣化且抗力衰减的问题，引发人们的持续关注。客观来分析这些问题，其原因是多方面的，不仅受环境影响较为严重，而且在施工技术、材料应用上也多有不足。经过研究实践，工程师们认为FRP复合材料可成为解决这一问题的重要方法，其在复杂环境下对下部结构的巩固和支撑作用优势明显。可在原有地下基础上多覆建一层FRP材料，从而有效增加该结构的强度与硬度，且可以将原有结构中的普通钢筋换为FRP加强筋，可使原有结构可靠性与稳定性得到进一步改进。

3.3 FRP混凝土组合结构。传统的土木工程中，钢筋混凝土的施工材料组合能够确保建筑结构的高强属性。受此技术应用的启发，并注重加强对经济成本与效益等因素的考虑，可适度打造FRP混凝土组合，使之成为富有潜力的可行解决方案。当前，这一方案主要倾向于开展FRP外包混凝土应用，从而创新出诸如钢管混凝土的新结构。在有关研究中，可利用FRP材料组成外壳，并向内填充混凝土，从而形成混合结构，可替换道桥主梁或主柱并积极支撑FRP桥面板。该结构必然是应用了FRP和混凝土两种材料的优越性能，体现出强度高、刚度高、重量轻、价格低等，从这点来看，FRP材料的推广应用还能够对建筑成本造价形成积极影响。

3.4土木工程大型结构应用。FRP复合材料体现了功能上的多元化，也体现出了施工制造方面的可塑性。在不少建筑结构的施工中，对于抗腐蚀或磁电屏蔽等要求，施工方努力开发应用不同的FRP复合材料，合理开展电磁试验操作，来优化相关功能的建筑结构。当然，在FRP的应用上也可以整合资源构建感光电路金属板房间，从而实现土木工程中大型结构的FRP复合材料应用。此方面较为典型的就是美国苹果公司的电磁干涉实验室，其为全球首个基于FRP复合材料建造而成的重点实验室。

4、FRP复合材料在土木工程应用前景展望

随着生活品质的提升，人们对土木工程的要求愈发严格，因而对传统建筑材料带来更严峻的考验。FRP复合材料所带有的轻量化、高强度、耐腐蚀、抗疲劳、功能全面、适用性强、易设计加工等特点，被人们所青睐，因而可应用于各种土木工程建设场景中，如超大跨、超高层、高耐久性建筑、特殊环境工程、永久性工程、结构加固修复、大型工程结构、地下结构、海洋工程等应用方面。从市场需求来看，FRP复合材料的应用前景十分广阔。

FRP复合材料具有传统建材无法比拟的优势，但当前应用并不是要以全面取代的形式来淘汰钢材与混凝土等传统材料，而是要与传统建材之间形成一种互补式的默契，只有新型建材与传统建材之间共同应用，不断研究改进，才能整体推动现代土木工程的技术进步。

参考文献：

[1] 冯鹏.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].玻璃钢/复合材料，2014（9）

[2] 彭祥.浅析FRP复合材料在土木工程中的实践效果[J].四川水泥，2014（11）

[3] 肖萍.FRP在工程結构加固中的应用[J].福建建材，2014（12）