r - The Hong Kong Polytechnic University

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碳 纤 维 布
( 高 弹 模 型 )
PBO 纤 维
芳 纶
纤 维
碳 纤 维
( 高 强 型 )
玄 武 岩 纤 维
E 玻 璃 纤 维
Dyneema 纤 维
500
0
钢 筋
0 10000 20000 30000 40000
应 变 ( 礶 )
图 1 FRP 材 料 应 力 - 应 变 关 系
首 先 对 常 用 的 FRP 材 料 进 行 回 顾 和 比 较 。 常 用 的 FRP 材 料 由 碳 纤 维 (Carbon fibers)、PBO 纤
维 (Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)、 玻 璃 纤 维 (Glass fibers)、 玄 武 岩 纤 维 (Basalt fibers) 或 芳
纶 纤 维 (Aramid fibers) 分 别 与 基 体 材 料 ( 如 环 氧 树 脂 ) 含 浸 硬 化 后 复 合 形 成 。 相 对 于 传 统 建 筑 材
料 ( 钢 材 , 混 凝 土 , 木 材 )FRP 材 料 具 有 优 越 的 力 学 ( 高 比 强 度 ) 和 物 理 化 学 性 能 ( 轻 质 、 耐 腐 蚀
等 ), 及 其 他 优 秀 特 性 , 如 绝 缘 ( 除 碳 纤 维 弱 导 电 )、 耐 高 低 温 等 , 其 密 度 只 有 钢 材 的 三 分 之 一 到 四
分 之 一 , 但 拉 伸 强 度 为 普 通 低 碳 钢 的 5 倍 以 上 , 与 预 应 力 钢 丝 / 索 相 当 甚 至 更 高 。 碳 纤 维 FRP(CFRP)
在 各 种 纤 维 复 合 材 料 中 , 拥 有 最 为 突 出 的 力 学 性 能 和 化 学 稳 定 性 , 典 型 的 CFRP 抗 拉 强 度 为 3400MPa,
弹 性 模 量 达 到 230GPa, 密 度 只 有 1.8 kg/cm2, 并 且 能 够 抵 抗 酸 碱 盐 紫 外 线 等 各 种 环 境 腐 蚀 , 耐 高 温
达 600 度 。PBO 纤 维 不 仅 具 有 和 碳 纤 维 相 似 甚 至 更 高 的 力 学 性 能 , 而 且 具 有 良 好 的 冲 击 能 力 吸 收 性
能 , 这 也 意 味 着 PBO 纤 维 作 为 干 丝 具 有 更 高 的 可 张 拉 性 能 。 玻 璃 纤 维 FRP(GFRP) 力 学 和 化 学 性
能 在 常 用 各 种 纤 维 复 合 材 料 中 相 对 较 低 , 但 因 其 相 对 低 廉 的 价 格 得 到 广 泛 的 应 用 , 常 用 的 E 玻 璃 纤
维 FRP 的 抗 拉 强 度 为 1500MPa, 弹 性 模 量 为 80GPa, 密 度 为 2.6 kg/cm2,GFRP 虽 然 能 够 抵 抗 酸 ,
盐 和 紫 外 线 等 腐 蚀 作 用 , 但 对 碱 作 用 敏 感 , 并 且 适 用 温 度 范 围 相 对 较 小 -60~+250℃, 在 长 期 荷 载 下
会 出 现 应 力 破 断 现 象 , 应 用 面 有 一 定 的 限 制 。 玄 武 岩 纤 维 FRP(BFRP) 是 一 种 以 纯 天 然 火 山 岩 ( 玄
武 岩 为 主 ) 为 原 料 , 在 1450~1500℃ 高 温 熔 融 后 拉 丝 而 成 的 连 续 纤 维 。 连 续 玄 武 岩 纤 维 在 我 国 已 经
能 产 业 化 工 业 化 生 产 。 该 纤 维 具 有 高 性 价 比 、 耐 高 低 温 (-269~650℃)、 抗 水 损 害 性 能 好 、 耐 紫 外
线 、 电 绝 缘 、 纤 维 表 面 呈 极 性 、 纯 天 然 环 保 、 防 火 阻 燃 等 特 点 [8,13]。 从 力 学 性 能 角 度 , 玄 武 岩 纤 维
比 E 玻 璃 纤 维 具 有 更 高 的 抗 拉 强 度 (2100MPa) 和 弹 性 模 量 (91GPa) 以 及 更 广 的 适 用 温 度 范 围 。
芳 纶 纤 维 FRP(AFRP) 的 力 学 性 能 介 于 CFRP 和 BFRP 之 间 , 但 长 期 荷 载 作 用 下 会 出 现 应 力 破 断 现
象 , 而 且 化 学 性 能 中 对 紫 外 线 很 敏 感 , 加 上 价 格 和 CFRP 接 近 , 因 此 实 际 应 用 不 如 CFRP 和 GFRP
广 泛 。 上 述 几 种 纤 维 材 料 和 其 他 几 种 土 木 领 域 应 用 的 纤 维 材 料 典 型 的 应 力 - 应 变 关 系 见 图 1 所 示 , 可
见 相 对 于 传 统 钢 材 , 纤 维 复 合 材 料 具 有 明 显 的 强 度 优 势 , 但 部 分 纤 维 材 料 的 刚 度 不 足 或 延 伸 率 不 足
也 是 需 要 避 免 和 改 善 的 重 要 问 题 。
上 述 纤 维 材 料 通 过 与 树 脂 等 基 体 材 料 复 合 , 在 手 糊 或 拉 挤 或 真 空 辅 助 等 工 艺 下 , 形 成 结 构 加 固
及 增 强 用 的 各 种 FRP 制 品 , 如 图 2 所 示 。
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