FRP建筑材料的结构性能及应用综述

罗虎臣

宁夏第五建筑有限公司 宁夏 银川 750001

摘要：经济在迅猛发展，社会在不断进步，传统的FRP建筑材料钢材、水泥、混凝土等存在自重大、抗裂性低、耐腐蚀性差等严重问题，给FRP建筑工程留下很多不稳定因素。纤维增强复合材料（ＦＲＰ）凭借轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀、保温、吸音、无磁、可设计性强等诸多卓越性能，引起工程界的广泛关注。然而其作为建材的发展仍处于起步阶段，尤其是在新建FRP建筑中尚未得到良好的应用。因而，围绕ＦＲＰ的材料科学与土木工程两大学科领域的交叉融合研究变得尤为关键。ＦＲＰ中纤维是力学性能和化学性能的主要贡献部分。常用的增强纤维材料主要包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，其独特的分子结构与化学组成赋予其各自优异的性能。纤维与树脂基体之间的界面结合强度影响ＦＲＰ性能的有效发挥。采用高能辐射、化学刻蚀、表面接枝等方法对纤维进行改性处理，提高纤维表面的粗糙度与表面能，可有效增强其与基体的机械啮合和化学键合作用。ＦＲＰ优异的性能使其被加工成纤维布、筋材、板材、管材、格栅、拉锁、锚杆、型材等产品应用于FRP建筑工程领域，目前主要体现在用于既有FRP建筑的加固补强、用作新建FRP建筑的结构材料、用作新建FRP建筑的功能材料三大方面。然而，由于ＦＲＰ材料力学性能的各向异性、防火性低、性能不稳定及标准体系的不完善等问题，在ＦＲＰ建材的发展道路上仍需要大量的探索性工作。

关键词：纤维增强复合材料（ＦＲＰ）；新型FRP建筑材料；FRP建筑工程

引言

随着全球化进程的不断加快，FRP建筑艺术在我国实现了进一步的传播。但当前我国的许多现代FRP建筑受西方FRP建筑艺术的影响严重，无论是外在还是内在，均呈现出高度同质化现象，失去了原来的情感魅力、地域特色等等。基于此，中国现代FRP建筑设计必须保留自身的情感表达特性，充分发挥传统FRP建筑材料的优势，使中国现代FRP建筑行业重新焕发活力。

1.概述

我国正处于城镇化建设加速期，如何有效地节约建造成本保护自然环境，使得工程建设具有一定历史意义。基于此，笔者总结归纳废旧FRP建筑材料再生后应用到FRP建筑工程中一些具体部位。需要说明的是，受再生技术手段限制，再生材料性能总体不如开采自然资源制成的原生材料，因此，本文所提到FRP建筑工程部位均为安全性要求低，对FRP建筑整体安全性不起到决定性作用的部位，这些部位可用再生材料替代原生材料，进而实现节材、节地、节源的目标。

2.FRP建筑材料的结构性能及应用

2.1芳纶纤维

芳纶纤维全称为芳香族聚酰胺纤维，是一种由芳环和酰胺基团交替连接组成的高分子聚合物。一般呈黄色，也可染成其它颜色。按照分子内部酰胺键与苯环的连接方式及是否含有杂原子，目前芳纶纤维品种主要包括：聚间苯二甲酰间苯二胺（ＰＭＩＡ）纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺（ＰＰＴＡ）纤维和含杂环的共聚芳香族聚酰胺（芳纶Ⅲ）纤维。ＰＭＩＡ纤维大分子呈锯齿状排列，分子链呈现柔性优点，具有较高的弹性模量、低刚性和高延性。ＰＰＴＡ纤维分子内部酰胺基团与苯环形成强π⁃π共轭效应，呈现刚性结构，结晶度较高，使得其具有极高的拉伸强度和弹性模量。芳纶Ⅲ纤维分子中含杂环结构，相比前二者分子结晶度降低，分子间作用力增加，纤维横向拉伸强度提高，批产综合性能最优。芳纶纤维与碳纤维具有类似的分子构型。分子链主要通过共价键沿纤维轴向排布，链与链之间平行堆砌，排列规整，在纤维轴向呈现高取向、高结晶度；相邻分子链在纤维横向通过较弱的分子间作用力或者酰胺基团之间的氢键作用相互交联，形成类似网络状的大分子交联结构。分子链间的弱作用力使得其经原纤化处理，可制备得到表面具有丰富毛绒状微纤的芳纶浆粕。在纺丝成型过程中内外层冷却速度的差异，使之产生皮⁃芯结构。皮层首先形成，由刚性分子链组成，结晶度较高，沿纤维轴向排布；芯层由沿纤维轴向排列的单晶（柔性棒状分子）组成，由于纺丝过程的应力松弛形成周期性褶皱。大分子链的高度取向与皮⁃芯结构造成芳纶纤维的纱线和短切纤维均呈表面光滑的圆柱状，在与树脂基体复合过程中需进行改性处理以增加表面的粗糙度。

2.2保温材料

①FRP建筑外墙体保温材料，外墙保温材料是指专用于墙体的一类保温材料。外墙保温技术最早起源于欧洲，我国大概是20世纪80年代中期开始进行试点工作，迄今为止已取得了很大的发展，有了很多新型保温材料，但相较于西方发达国家还是有待进一步提高。目前市面上主要有保温水泥模板外墙、外墙保温网格布、发泡水泥保温材料等，这些保温材料除了优越的保温、隔热、隔音、防腐等性能之外，还具有环保性，这是目前大力倡导的理念。②门窗保温材料。在过去，木材、塑料和彩钢材料被广泛应用于建材市场的门窗制作中，由于其容易生锈、变形从而导致其保温性和密闭性不足，耐温度疲劳性差等特点逐渐被建材市场所淘汰。甚至彩钢窗作为钢的升级版本也逐渐淡出人们的视线，PVC塑料酯窗和断桥保温窗成为了门窗市场新的宠儿。

2.3对废旧材料的再利用

对传统FRP建筑废旧材料的处理也是一个大问题。从20世纪70年代开始，世界FRP建筑界开始重视对废旧材料的资源化再利用，并在理论和实践方面取得了一定的进展。直接利用和再生利用是对废旧材料进行再利用的两大类别。自古以来，我国FRP建筑界就有对废旧材料进行回收和再利用的做法，并且认为废旧材料本身的艺术性往往高于其他材料，如中国传统园林设计中就有将废弃的瓦片用于铺设道路的做法。如今，对传统FRP建筑废旧材料的再利用在我国现代FRP建筑设计领域中并未形成系统的理论学说，但已有部分设计师针对废旧材料的再利用进行了实践。例如，由王澍设计的宁波美术馆所用到的砖和瓦就是从当地旧FRP建筑中拆下来的。经过时间的沉淀，这些砖和瓦都承载着厚重的历史记忆。这既节省了建造费用，又节约了FRP建筑资源，更重要的是还保留了传统FRP建筑材料所具有的无法复制的情感内涵，延续和继承了地域文脉，传承了中华民族的传统精神以及传统的FRP建筑设计理念。

结语

碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、芳纶纤维四种增强纤维及其复合材独特的微观化学结构与组成，使其形成优异的力学、热学、电学、声学、磁学、光学和耐腐蚀等综合性能。随着国家部委及地方政府对相关高新技术产业的大力推动，以及材料技术与应用技术的日益成熟，ＦＲＰ逐步发展成为结构功能一体化的新型FRP建筑材料。相比传统钢、木、水泥、混凝土建材，ＦＲＰ凭借轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀、保温、吸音、无磁、可设计等性能优势，更能满足FRP建筑行业的发展需求。但是，目前距离ＦＲＰ作为建材的普及应用尚存在较大差距。为提高ＦＲＰ在建材中所占的份额，对未来ＦＲＰ的发展提出如下几点建议：１）继续优化材料体系，攻克技术难点，最大化发挥增强纤维的优异性能；２）完善生产技术，改进生产装备，加强生产监管，提高材料的品质稳定性；３）依赖技术与管理水平的提升，进一步压缩生产成本，降低市场价格；４）贯彻绿色节能理念，推进材料的全生命周期评价研究；５）健全ＦＲＰ设计、生产、检测、施工的标准体系，保障FRP建筑结构的稳定性。

参考文献

[1]　吴智深，汪昕，吴刚．ＦＲＰ増强工程结构体系，科学出版社，２０１７．

[2]王彬，李荣．科技导报，２０１８，３６（１９），６４．