一种基于FRP-STF的复合材料及其高效防冲击布置方法与流程

本申请属于工程结构抗冲击领域，特别是涉及一种基于frp-stf的复合材料及其高效防冲击布置方法。

背景技术：

纤维增强塑料最早用于军工和航空航天领域。frp种类主要包括碳纤维增强塑料(carbonfiberreinforcedpolymer，简称为cfrp)、玻璃纤维增强塑料(glassfiberreinforcedpolymer，简称为gfrp)和芳纶纤维增强塑料(aramidfiberreinforcedpolymer，简称为afrp)等。近年来，frp材料因其较好的结构性能和耐久性能而逐渐转向民用领域，尤其是在土木工程中的应用得到迅速发展。1981年，瑞典的meier首次采用粘贴cfrp片材加固了ebach桥。日本在1995年阪神地震后，采用frp布对高速公路桥墩柱震害快速加固，使交通运输很快得到恢复，同时也奠定了frp材料在土木工程领域应用的基础，受到工程界的广泛重视。此后，使用frp片材或frp布代替钢板进行结构加固的方法在日本、美国和欧洲等发达国家得到突飞猛进的发展，有关高等学校和科研机构投入了许多研究力量。迄今，国内外在采用frp对混凝土构件的受弯、受剪和抗震加固等方面进行了较多的试验研究，并已有大量的工程应用。

frp用于混凝土约束加固一般采用片材或布的形式。片材形式成型后较硬，不易在曲面或细微处粘贴，而布形式一般需要粘贴两层以上，且易引起其强度降低，但能够很好的包裹构件，其比片材形式具有更加均匀的效果。目前工程中使用较多的是gfrp布。相较于其他传统工艺进行混凝土结构加固，frp材料(尤其是frp布)约束混凝土结构具有以下优势：①轻质高强。②破损后安全性高。③施工运输方便。④抗疲劳性能好。⑤可有效提高混凝土结构的强度、延展性、耐腐蚀性等，有效减轻纵筋屈曲。⑥后期维护费用低。

但frp是一种脆性材料，抗冲击韧性极低，因此，本申请提出的一种基于frp-stf复合材料的高效防冲击布置方式。需要指出的是，用传统frp对混凝土结构进行约束加固已经存在大量实验，并在工程中得到广泛应用，然而对frp改性的相关研究较少，且没有stf改性frp约束混凝土结构的实验与应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的frp是一种脆性材料，抗冲击性能差等问题，本申请提出一种基于frp-stf的复合材料及其高效防冲击布置方法，并给出其frp-stf复合材料最优抗冲击性能的层数、tpu布置方式以及层间铺设角度等参数。

本申请的目的是通过以下技术方案来实现的：

本申请一种基于frp-stf的复合材料，由外至内依次为聚氯乙烯(pvc)材料层、frp-stf复合材料层及高弹性橡胶材料层，其中聚氯乙烯(pvc)材料层用以保护其内部材料不受空气腐蚀、水汽浸湿以及破损；frp-stf复合材料层设置若干层，具有抗冲击能力和高效吸收外界冲击能量的能力；高弹性橡胶材料层，用以缓冲frp-stf复合材料层的位移，且自身通过变形消耗外界冲击能量以增加耗能效果。

优选地，所述frp-stf复合材料层设置大于等于4的偶数层；所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为40-60°；所述frp-stf复合材料层中相邻层frp纤维的粘结方式为十字形或环形布置。

优选地，所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，碳纤维维增强聚合物(cfrp)和玻璃纤维维增强聚合物(gfrp)，即形成bfrp-stf，cfrp-stf以及gfrp-stf复合材料层。

优选地，所述高弹性橡胶材料层的厚度是10-20mm。

优选地，加固结构时，在所述高弹性橡胶材料层内还设置有2-3层的frp纤维材料层。

一种基于frp-stf的复合材料的高效防冲击布置方法，其特征在于：包括如下步骤：

s1：在预加固结构外层铺设高弹性橡胶材料层，用以缓冲frp-stf复合材料层的位移，且自身通过变形消耗外界冲击能量以增加耗能效果；

s2：在高弹性橡胶材料层外层铺设frp-stf复合材料层；

s3：在frp-stf复合材料层外层铺设氯乙烯材料层；

优选地，所述frp-stf复合材料层中相邻层frp纤维的粘结方式为十字形或环形布置；所述frp-stf复合材料层设置大于等于4的偶数层；所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为40-60°。

优选地，所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，碳纤维维增强聚合物(cfrp)和玻璃纤维维增强聚合物(gfrp)，即形成bfrp-stf，cfrp-stf以及gfrp-stf复合材料层。

优选地，所述高弹性橡胶材料层的厚度是10-20mm。

优选地，所述预加固结构已出现破损时，在所述高弹性橡胶材料层内层先铺设2-3层的frp纤维材料层。。

本申请的有益效果为：

1.本申请提出的一种基于stf高效防冲击的复合材料，并给出frp-stf复合材料最优抗冲击性能的层数、tpu布置方式及其铺设角度等参数。试验表明本申请的复合材料能够有效提高单一frp的抗冲击性能，当层数为4层或更高偶数层，tpu布置方式为十字形或环向布置时以及frp-stf复合材料层间铺设角度为45°时，本申请复合材料具有显著的最大承载力和能量吸收能力。

2.采用本申请的技术方案，在海岛建设工程中，可加固海岸与近海高强混凝土结构的耐久性和抗冲击性能，进而达到延长其使用寿命的目的。另外，当发生地震时，可采用该布置方式对高速公路桥墩柱震害进行快速加固，使交通运输很快得到恢复，为抢救更多生命财产赢得宝贵的时间。也可用于路桥以及一般建筑结构的加固，提高其结构的耐久性、抗冲击性能以及高效吸收能量的能力。

3.采用本申请的技术方案，在混凝土结构破损后安全性高。纤维发生破坏需要经历一系列的反应，不像传统材料会突然的断裂破坏，能够很好的延缓灾难性破坏的发生。

4.本申请的frp-stf复合材料主要起到的作用是吸收外界冲击能量和地震能量。经stf处理后，frp纤维试样能够有效提高最大承载力和总吸收能量，改善其抗冲击性能。

5.本申请的复合材料施工运输方便。frp-stf布弯曲刚度低，可制成长条形状，卷起运输，能够节省空间，减小操作难度。

6.本申请的复合材料抗疲劳性能好。纤维的破坏是从纤维薄弱环节开始破坏的，有明显的破坏前兆，裂纹的开展路径较为复杂困难，因此具有良好的抗疲劳性能。

7.本申请可有效提高混凝土结构的强度、延展性、耐腐蚀性等，有效减轻纵筋屈曲。后期维护费用低。

附图说明

图1(a)-(f)是frp和frp-stf复合材料的微观对比图。

图2是frp和frp-stf在低速冲击下抗力和能量吸收随时间变化曲线；其中(a)为抗力随时间变化曲线,(b)为能量随时间变化曲线。

图3是层间铺设角度45°下gfrp和gfrp-stf抗力和能量随时间变化的曲线；其中：(a)为抗力随时间变化曲线，(b)为能量随时间变化曲线。

图4是gfrp和gfrp-stf不同tpu布置形式抗力和能量随时间变化的曲线；其中：(a)为抗力随时间变化曲线，(b)为能量随时间变化曲线。

图5是本申请以混凝土柱为例的布置方式的结构图。

图6是图5的左视图。

图中：1.聚氯乙烯(pvc)，2.若干层的frp-stf复合材料，3.高弹性橡胶，4.2-3层的frp纤维材料，5.混凝土。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请进行详细描述。

实施例1：以新建混凝土柱子为例，如图5-图6所示，本申请是一种基于stf高效防冲击的复合材料，由外至内依次为聚氯乙烯(pvc)材料层、frp-stf复合材料层及高弹性橡胶材料层，其中聚氯乙烯(pvc)材料层用以保护其内部材料不受空气腐蚀、水汽浸湿以及破损；frp-stf复合材料层设置若干层，具有抗冲击能力和高效吸收外界冲击能量的能力；高弹性橡胶材料层，用以缓冲frp-stf复合材料层的位移，且自身通过变形消耗外界冲击能量以增加耗能效果。

所述frp-stf复合材料层设置若干层，相邻层之间是采用tpu热熔胶进行粘结，并通过平板硫化机压实。所述frp-stf复合材料层最优布置层数为四层或更高偶数层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为45°。所述frp-stf复合材料层中相邻层frp纤维的粘结方式为十字形。

所述frp-stf复合材料层是通过剪切增稠液体(stf)与frp材料复合而成，使stf颗粒附着在frp纤维以及填充在frp纤维间。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，碳纤维维增强聚合物(cfrp)或玻璃纤维维增强聚合物(gfrp)，即形成bfrp-stf，cfrp-stf以及gfrp-stf复合材料层，本例frp纤维选择玻璃纤维维增强聚合物(gfrp)，形成gfrp-stf复合材料层。由于stf颗粒附在frp纤维以及填充在frp纤维间，故frp-stf复合材料比传统frp具有更好的抗冲击能力和高效吸收外界冲击能量的能力。

所述高弹性橡胶材料层的厚度是20mm，其作用是给frp-stf复合材料层一定的缓冲位移，且自身通过变形消耗外界冲击能量以增加本申请耗能效果。

所述frp-stf复合材料层外侧覆盖的聚氯乙烯(pvc)材料层。该聚氯乙烯(pvc)材料层要求严密、无缝隙无气泡。

本申请针对frp是一种脆性材料，抗冲击性能差等问题，本申请公开的一种基于stf高效防冲击的复合材料，并给出其中frp-stf复合材料最优抗冲击性能的层数、tpu布置方式以及层间铺设角度等参数。使得本申请的复合材料能够有效提高单一frp的抗冲击性能，并具有显著的最大承载力和能量吸收能力。

实施例2：本例与实施例1不同的是：所述frp-stf复合材料的tpu布置方式为井字形。所述frp-stf复合材料层设置6层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为60°。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，形成bfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是13mm。

实施例3：本例与实施例1不同的是：所述frp-stf复合材料的tpu布置方式为井字形。所述frp-stf复合材料层设置8层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为50°。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为碳纤维维增强聚合物(cfrp))，形成cfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是14mm。

实施例4：本例与实施例1不同的是：所述frp-stf复合材料的tpu布置方式为井字形。所述frp-stf复合材料层设置8层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为42°。所述高弹性橡胶材料层的厚度是17mm。

实施例5：本例与实施例1不同的是：本例针对现有已出现损坏的混凝土结构，为了约束和加固混凝土柱，在贴近混凝土柱设置2-3层的frp纤维材料层，本例选择3层，根据实际需求而定。所述frp-stf复合材料的tpu布置方式为井字形。所述frp-stf复合材料层设置10层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为58°。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，形成bfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是10mm。

实施例6：本例与实施例4不同的是：本例所述frp-stf复合材料的铺设角度为55°。本例所述frp-stf复合材料层设置12层。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为碳纤维维增强聚合物(cfrp))，形成cfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是15mm。所述frp纤维材料层为2层。

实施例7：本例与实施例2不同的是：本例所述frp-stf复合材料的铺设角度为40°。本例所述frp-stf复合材料层设置12层。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为碳纤维维增强聚合物(cfrp))，形成cfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是18mm。所述frp纤维材料层为2层。

实施例8：本例与实施例2不同的是：所述frp-stf复合材料的tpu布置方式为井字形。所述frp-stf复合材料层设置6层。所述frp-stf复合材料层中frp纤维层间铺设角度为52°。所述frp-stf复合材料层中的frp纤维为玄武岩纤维增强聚合物(bfrp)，形成bfrp-stf复合材料层。所述高弹性橡胶材料层的厚度是19mm。

本申请可以用于混凝土柱，还可以用于高速公路防撞栏，跨海跨河桥墩，混凝土墙、混凝土梁等等，内侧设置frp材料层时，主要用于结构加固，所谓加固是指该结构在已有的荷载下已经出现损坏，内侧frp主要起着提高该结构的强度和承载力。若是用于刚建好的结构，比如桥墩、防撞栏，则不需要内侧设置frp材料层。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。