第三章 纖維復(fù)合材料

第三章纖維及纖維復(fù)合材料纖維材料纖維材料通常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，復(fù)合材料是以一種材料為基體，另一種材料為增強(qiáng)體組合而成的材料，各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類(lèi)。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRP）是用玻璃纖維、碳纖維、塑膠等纖維用環(huán)氧樹(shù)脂粘劑拌和在一起組成的復(fù)合材料。除了玻璃纖維、碳纖維外，作為纖維增強(qiáng)材料的還有硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。這種材料強(qiáng)度很高,接近高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼筋。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比,FRP具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。一、玻璃纖維增強(qiáng)塑料玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP,也稱(chēng)玻璃鋼），是由合成樹(shù)脂和玻璃纖維或其織物經(jīng)復(fù)合工藝、制作而成的一種用途廣泛的復(fù)合材料。它具有玻璃般的透明性或半透明性，又具有鋼鐵般的高強(qiáng)度而得名。如用玻璃纖維去增強(qiáng)熱塑性塑料，可稱(chēng)為熱塑性玻璃鋼；如用玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料，就叫做熱固性玻璃鋼。目前生產(chǎn)的玻璃鋼主要指熱固性而言。（一）玻璃鋼的性能特點(diǎn)玻璃鋼有三大優(yōu)點(diǎn)：一是玻璃鋼的密度小，強(qiáng)度大，比鋼鐵結(jié)實(shí)，比鋁輕，比重只有普通鋼材的1／4～l／16，而機(jī)械強(qiáng)度卻為鋼的3～4倍；二是玻璃鋼具有瞬間耐高溫特性；三是具有良好的耐酸堿腐蝕特性及不具有磁性。另外，玻璃鋼容易著色，能透過(guò)電磁波等特性。另外，著色性非常好。由于玻璃鋼的優(yōu)異性能，其在建筑業(yè)的作用越來(lái)越大。許多新建的體育館、展覽館、商廈的巨大屋頂都是由玻璃鋼制成的。玻璃鋼還有優(yōu)良的耐腐蝕性，從而成為一種重要的耐腐蝕材料。如用作為化工廠的反應(yīng)釜和管、閥門(mén)、泵、風(fēng)機(jī)，運(yùn)輸腐蝕性液體的汽車(chē)槽車(chē)和火車(chē)槽車(chē)，在化工廠制作貯腐蝕性液體的貯槽、廢酸廢液池村里和大面積防腐蝕的地面。石油的腐蝕性也很強(qiáng)，玻璃鋼可以用來(lái)代替鋼管制造輸油管、輸油車(chē)，大大節(jié)約了鋼鐵。二、碳纖維增強(qiáng)塑料（一）碳纖維增強(qiáng)塑料的性能碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)是由合成樹(shù)脂和碳纖維纖維或其織物經(jīng)復(fù)合工藝、制作而成的一種用途廣泛的復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)的熱固性樹(shù)脂主要用于強(qiáng)度和剛性要求較高、而密度要求較小的器械或設(shè)備中，用酚醛樹(shù)脂和碳纖維制成的復(fù)合材料可作為宇宙飛行器外表面的防熱層、火箭噴嘴等。而碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂制成的復(fù)合材料由于強(qiáng)度高，多用于飛機(jī)和宇宙飛行器上作為結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)聚合物可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹(shù)脂基體。如環(huán)氧樹(shù)脂使用溫度為150～200℃，聚雙馬來(lái)酰亞胺為200～250℃，而聚酰亞胺在300℃以上。這類(lèi)碳纖維復(fù)合材料較多應(yīng)用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料中。新一代的運(yùn)動(dòng)器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板、撐桿、弓箭等都采用碳纖維增強(qiáng)塑料來(lái)做。（二）纖維增強(qiáng)聚合物在土木工程中的應(yīng)用FRP使用靈活、方便，在土木工程中應(yīng)用前景廣闊。FRP可以做成加片材、強(qiáng)筋、FRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)、全FRP復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)、FRP橋面板等。1.結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)FRP片材可以直接粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱和墻上,利用其高強(qiáng)的抗拉能力直接提高這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎和抗剪能力；另一方面,FRP也可以以外包的方式從環(huán)向?qū)炷潦┘蛹s束,從而提高混凝土構(gòu)件的抗壓承載力及其延性性能。將這種材料加入混凝土內(nèi),不僅能顯著地提高混凝土構(gòu)件的承載力,而且能改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊和耐疲勞性能,特別是具有很好的抗裂和控制裂縫寬度發(fā)展的能力。FRP能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、高強(qiáng)和輕質(zhì)發(fā)展以及承受惡劣條件的需要,符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求。因而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于橋梁、各類(lèi)民用建筑、海洋和近海、地下工程等結(jié)構(gòu)中的維修加固。FRP加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu),其簡(jiǎn)便的施工工藝及優(yōu)良的加固效果得到土木工程界的普遍贊同。利用碳纖維增強(qiáng)塑料加固結(jié)構(gòu)主要是將其粘貼在或植入結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受拉區(qū)表面，利用其高強(qiáng)性能來(lái)抵抗結(jié)構(gòu)所承受的拉應(yīng)力。在加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強(qiáng)度、高彈性模量的特點(diǎn)來(lái)提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性，改善受力性能，達(dá)到高效加固修補(bǔ)的目的。這對(duì)于抗震加固補(bǔ)強(qiáng)具有重要意義。2.在新結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用高性能FRP復(fù)合材料在應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)中，也是其一個(gè)最廣闊的領(lǐng)域。由于其材料特點(diǎn),可以為現(xiàn)代土木工程建設(shè)帶來(lái)革命性的變化。采用FRP材料代替原有混凝土結(jié)構(gòu)的鋼材,會(huì)使原有的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法發(fā)生較大改變。3.特殊條件下的應(yīng)用（1）海洋環(huán)境下任何海洋資源的開(kāi)發(fā)都離不開(kāi)對(duì)海洋基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),而在所有海洋基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中,結(jié)構(gòu)防腐問(wèn)題一直是一個(gè)最突出的問(wèn)題。目前在建的海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用最厚的混凝土保護(hù)層(一般為150mm左右,相當(dāng)于陸地混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的5倍以上)及防腐措施,其對(duì)內(nèi)部鋼筋防氯鹽腐蝕也僅有15年左右,這與永久或半永久性的海洋結(jié)構(gòu)耐久要求相距甚遠(yuǎn)。采用FRP混凝土或FRP—混凝土組合結(jié)構(gòu)就可以從根本上解決海洋工程中的鋼筋腐蝕問(wèn)題.（2）高寒環(huán)境下高寒環(huán)境下,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用昂貴,建設(shè)周期過(guò)長(zhǎng)。因此,對(duì)于再建或擬建的各種基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目(主要是公路與鐵路等交通項(xiàng)目),提高其建設(shè)質(zhì)量,減少維護(hù)費(fèi)用是一個(gè)重大的技術(shù)問(wèn)題。用FRP筋代替鋼筋,做成免維護(hù)復(fù)合材料混凝土結(jié)構(gòu),從而達(dá)到提高基礎(chǔ)設(shè)施耐久性與延長(zhǎng)壽命的目的。（3）地質(zhì)災(zāi)害防治用于地質(zhì)災(zāi)害防治中永久錨固支護(hù)，對(duì)山體與邊坡滑移治理最有效的辦法就是采用預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)技術(shù)。

土木合成材料土工合成材料是以人工合成的聚合物為原料制成的各種類(lèi)型產(chǎn)品，是巖土工程中應(yīng)用的合成材料的總稱(chēng)?？芍糜趲r土或其它工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各種結(jié)構(gòu)層之間，具有加強(qiáng)、保護(hù)巖土或其它結(jié)構(gòu)功能的一種新型工程材料。它是以人工合成的聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類(lèi)型的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)土體的作用。一、土工布用于織造土工布合成纖維主要為錦綸、滌綸、丙綸、乙綸，它們都具有很強(qiáng)的抗埋、耐腐性能。

二、土工膜土工膜主要功能為防止液體的滲漏和氣體的揮發(fā)，它的防滲性能主要取決于塑料薄膜的防滲性能。三、土工網(wǎng)四、土工格柵土工格柵主要用于加筋土和軟基處理工程。使用聚丙烯制成的土工格柵抗拉強(qiáng)度大，伸長(zhǎng)率小；高密度聚乙烯為原料的土工格柵抗拉強(qiáng)度小，伸長(zhǎng)率大。五、土工格室特性：具有伸縮自如，運(yùn)輸可縮疊，施工時(shí)可張拉成網(wǎng)狀，填入泥土、碎石、混凝土等松散物料，構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體。材質(zhì)輕、耐磨損，化學(xué)性能穩(wěn)定、耐光氧老化、耐酸堿，適用于不同土壤與沙漠等土質(zhì)條件。六、土工墊土工墊主要用于坡面防護(hù)、控制水土流失。與土壤、植被良好結(jié)合，促進(jìn)織物生長(zhǎng)，有效地防止水土流失，又被稱(chēng)為三維植被網(wǎng)。水泥瀝青砂漿板式無(wú)碴軌道的穩(wěn)定性高于有碴軌道,且維護(hù)工作量和費(fèi)用均遠(yuǎn)低于有碴軌道,因此其在鐵路建設(shè)尤其是高速鐵路建設(shè)中越來(lái)越受到重視。板式無(wú)碴軌道是由長(zhǎng)鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺(tái)組成的一種新型軌道結(jié)構(gòu)。高速鐵路所用板式無(wú)碴軌道要求