FRP建筑材料的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

劉君偉

關(guān)鍵詞：建筑材料;工程施工;結(jié)構(gòu)性能前言：纖維增強復(fù)合材料就是以纖維作為基本物質(zhì)，以樹脂作為基礎(chǔ)載體，經(jīng)過模壓、纏繞等方式形成的一種具有較好性能的復(fù)合材料。工程中常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維和芳綸纖維，在我國建筑工程實際施工過程中，經(jīng)常使用鋼筋水泥和混凝土這些建筑材料由于它們的性能較差，導(dǎo)致建筑工程竣工以后出現(xiàn)后期維護(hù)費用高和穩(wěn)定性差的問題。因此將纖維復(fù)合材料應(yīng)用于目前的建筑工程項目中，可以進(jìn)一步改善這些傳統(tǒng)材料體現(xiàn)出的問題，但是我國應(yīng)用該材料在建筑工程領(lǐng)域中仍然處于初步探索的階段，因此為了進(jìn)一步提高纖維復(fù)合材料作為建筑材料的發(fā)展，需要對他們的結(jié)構(gòu)性能和分類進(jìn)行全面系統(tǒng)的了解，從而進(jìn)一步找出該材料在建筑行業(yè)的實際應(yīng)用方向。

1增強纖維

復(fù)合纖維材料中的纖維主要具有抗拉、抗沖擊等良好的力學(xué)性能此，此外還具有耐腐蝕和耐高溫的化學(xué)性能，而材料中的基體物質(zhì)具有傳遞應(yīng)力和固定纖維的良好作用，因此這些材料具有獨特的優(yōu)勢。通過對增強纖維內(nèi)部的結(jié)構(gòu)作為主要研究主題，對不同四種類型的增強纖維優(yōu)異性能進(jìn)行分析，并對綜合性能進(jìn)行比較，希望給相關(guān)工程施工中選擇材料，提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1.1碳纖維

碳纖維是采用高溫將有機(jī)纖維碳化和石墨化制備得來的一種材料，這種材料的含碳量為90%，根據(jù)制備前驅(qū)物質(zhì)的不同分為粘膠機(jī)瀝青機(jī)與聚丙烯腈基。其中聚丙烯腈基的基碳纖維具有生產(chǎn)工藝簡單和成本低的優(yōu)點，尤其是在使用過程中該材料顯示出良好的綜合性能，因此這個材料在使用過程中具有良好的前景。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)為亂層石墨結(jié)構(gòu)，碳原子主要以SP2雜化的方式，通過共價鍵連接沿著纖維長軸的方向，所有的碳原子平行排列為六元環(huán)片層結(jié)構(gòu)這樣的結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)碳纖維材料的強度和拉伸度。

1.2芳綸纖維

芳綸纖維就是芳香族聚酰胺纖維，這是由芳環(huán)與酰胺基團(tuán)共同交替連接在特定條件下形成的一種高分子聚合物，通常情況下呈黃色，也可以通過染色成其他顏色。按照芳綸纖維內(nèi)部酰胺鍵與苯環(huán)連接方式以及是否含有雜原子，可以將芳綸纖維分為共聚芳香族聚酰胺纖維、聚對苯二甲酰對苯二胺纖維以及聚間苯二甲酰間苯二胺纖維。高分子聚合物是大分子物質(zhì)，這些大分子呈現(xiàn)鋸齒狀排列的方式，因此分子鏈具有較好的柔韌性，且彈性和延展性較好。聚對苯二甲酰，對苯二胺纖維分子內(nèi)部的苯環(huán)與酰胺基團(tuán)之間具有共軛效應(yīng)的剛性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以體現(xiàn)較好的硬度。共聚芳香族聚酰胺纖維分子中含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)，因此比前兩種分子的結(jié)晶度更低，分子之間的作用力相應(yīng)加強，因此這種纖維的橫向拉伸強度得到進(jìn)一步提高，可以顯示出更好的綜合性能。

1.3玻璃纖維

玻璃纖維是通過以石英砂、氧化鋁、白云石、硼酸、純堿等作為制備原材料，通過高溫和拉絲等化學(xué)工藝制成的一種無機(jī)非金屬纖維材料。由于玻璃纖維的原材料簡單易得成得成本低，制備操作工藝也簡單，因此利于實現(xiàn)量產(chǎn)。一些玻璃纖維的化學(xué)成分類似玻璃材料，主要成分是氧化硅和氧化鋁，根據(jù)玻璃纖維的組成性質(zhì)與用途可以分為E-玻璃纖維、C-玻璃纖維、a-玻璃纖維等許多不同的級別。這些玻璃纖維中最普遍使用的是E-玻璃纖維，在我國的絕熱保溫和電絕緣領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。玻璃纖維單絲直徑小到幾微米，每束纖維原絲有數(shù)百上千根單絲組成，常規(guī)的玻璃纖維呈現(xiàn)白色，且具有較好的透光性。

1.4玄武巖纖維

玄武巖纖維也是一種無機(jī)非金屬材料，由于原料是玄武巖，因此被稱為玄武巖纖維，制備過程是在1500℃的高溫下將玄武巖融化后快速拉伸而成。玄武巖屬于火山巖，是地球上常見的一種天然礦物質(zhì)，玄武巖的熔點在1600℃左右，因此拉制而成的玄武巖纖維具有較好的耐高溫性，通過與樹脂聚合物進(jìn)行復(fù)合后可以回收玄武巖材料進(jìn)行重復(fù)循環(huán)利用。玄武巖纖維的原材料是天然玄武巖，原料充足且價格成本低，在生產(chǎn)過程中不需要添加其他試劑，因此在生產(chǎn)過程中的能源損耗較低。純天然的玄武巖纖維呈現(xiàn)褐色，具有金屬光澤，主要結(jié)構(gòu)類似玻璃纖維成分是氧化硅與氧化鋁，制備過程綠色環(huán)保且質(zhì)地堅硬，耐磨性好。玄武巖纖維的力學(xué)性能超過一般玻璃纖維的30%，具有極好的抗拉強度和耐磨性，使用溫度范圍較廣，低于500℃，不會對玄武纖維產(chǎn)生熱證損失900℃時的熱震質(zhì)量損失也非常小。

2纖維增強復(fù)合材料

纖維增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)是介于纖維增強體和基體之間過度區(qū)域的部分組成的界面，是纖維與基體兩相之間互相連接的橋梁，通過基體承受外界加載的力傳遞給纖維，進(jìn)一步將應(yīng)力集中，從而抑制纖維材料的裂紋擴(kuò)展。從微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)形態(tài)上來看界面與纖維基體之間存在著較大的差異，也是復(fù)合纖維材料力學(xué)性能最薄弱的地方。因此界面的連接性能會直接影響著復(fù)合纖維材料的成型效果和綜合性能。一般進(jìn)行界面結(jié)合的方法，有物理和化學(xué)兩種兩種結(jié)合類型，不會單獨使用，物理結(jié)合就是機(jī)械結(jié)合，通過纖維與基體之間的粗糙表面結(jié)構(gòu)相互吻合，機(jī)械連接進(jìn)一步增加基體與纖維之間界面的嵌合能力?；瘜W(xué)結(jié)合就是通過纖維與基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以化學(xué)鍵的方式連接纖維與基體的方法化學(xué)鍵具有較好的結(jié)合能力，因此相比物理結(jié)合方法可以進(jìn)一步阻止界面區(qū)域之間分子的運動，從而使纖維和基體可以牢固穩(wěn)定的連接在一起。

3作為建材的重點應(yīng)用

建筑工程領(lǐng)域材料的投入量較大，對材料性能要求也較高，尤其是建筑材料在使用過程中具有周期長的特點，因此建筑材料的性能將會直接與居民居住的舒適性掛鉤。復(fù)合纖維材料體現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，也可以使生產(chǎn)成本得到降低，因此近年來在我國的建筑工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和快速發(fā)展。復(fù)合纖維材料可以在典型產(chǎn)品和構(gòu)建建筑物的加固，補強和結(jié)構(gòu)材料等方面具有良好的應(yīng)用，此外，復(fù)合纖維材料還具有較好的無磁性、保溫、隔聲等性能，因此也可以作為新建建筑物的非結(jié)構(gòu)性功能材料使用。復(fù)合纖維材料具有優(yōu)異的承載能力和抗?jié)B性，因此在新建建筑結(jié)構(gòu)材料的使用過程中，可以良好地體現(xiàn)耐化學(xué)腐蝕性，尤其是質(zhì)量輕巧，可以進(jìn)一步使用再新建建筑的施工過程中從而加強建筑物的功能性。

結(jié)論：綜上所述，四種常見的纖維材料和復(fù)合材料具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)和性能，在力學(xué)，電學(xué)，聲學(xué)，光學(xué)以及耐腐蝕方面具有較好的綜合性能，比傳統(tǒng)的鋼材水泥和混凝土建筑材料相比，在未來建筑行業(yè)發(fā)展過程中可以滿足更多的需求，因此工作人員需要加強對這種材料的研究，希望未來建筑領(lǐng)域使用復(fù)合纖維材料促進(jìn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

1.吳智深、汪昕、吳剛FRP增強工程結(jié)構(gòu)體系，科學(xué)出版社，2017.

2.Pour A F，Nguyen GD，Vincent T，et al.Composite Structures，2020，252，1.

3.王彬、李榮、科技導(dǎo)報2018，36（19），6.

4.陳宇飛，郭艷宏，戴亞杰聚合物基復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.