Einführung
Das faserverstärkte Polymer (FRP), ebenfalls faserverstärktes Kunststoff, ist ein Verbundmaterial aus einer mit Fasern verstärkten Polymermatrix. Die Fasern sind normalerweise Glas, Kohlenstoff oder Aramide, obwohl manchmal andere Fasern wie Papier oder Holz oder Asbest verwendet wurden. Das Polymer ist normalerweise ein Epoxid-, Vinylester- oder Polyester -Thermosettungs -Kunststoff, und Phenol -Formaldehydharze werden noch verwendet. FRPs werden üblicherweise in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Meeres- und Bauindustrie verwendet.
Verbundwerkstoffe werden aus technischen oder natürlich vorkommenden Materialien aus zwei oder mehr Bestandteilen mit erheblich unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, die innerhalb der fertigen Struktur getrennt und unterschiedlich bleiben. Die meisten Verbundwerkstoffe haben starke, steife Fasern in einer schwächeren und weniger steifen Matrix. Das Ziel ist es normalerweise, eine Komponente zu erstellen, die stark und steif ist, oft mit einer geringen Dichte. Handelsmaterial hat üblicherweise Glas- oder Kohlenstofffasern in Matrizen basierend auf Thermosetting -Polymeren wie Epoxid- oder Polyesterharzen. Manchmal können thermoplastische Polymere bevorzugt werden, da sie nach der ersten Produktion formbar sind. Es gibt weitere Verbundklassen, in denen die Matrix ein Metall oder eine Keramik ist. Zum größten Teil befinden sich diese noch in einem Entwicklungsstadium, wobei Probleme mit hohen Herstellungskosten noch nicht überwunden werden müssen. Darüber hinaus sind in diesen Verbundwerkstoffen die Gründe für das Hinzufügen der Fasern (oder in einigen Fällen Partikel) oft ziemlich komplex; Beispielsweise können Verbesserungen bei Kriechen, Verschleiß, Frakturzähigkeit, thermischer Stabilität usw. gesucht werden.
Faserverstärktes Polymer (FRP) sind Verbundwerkstoffe, die in fast jeder Art von fortschrittlicher Ingenieurstruktur verwendet werden, wobei deren Verwendung von Flugzeugen, Hubschraubern und Raumfahrzeug bis hin zu Booten, Schiffen und Offshore -Plattformen und Automobilen, Sportartikeln, chemischen Verarbeitungsgeräten und zivilen Infrastrukturen reicht als Brücken und Gebäude. Die Verwendung von FRP -Verbundwerkstoffen wächst immer wieder beeindruckend, da diese Materialien in ihren bestehenden Märkten mehr verwendet werden und in relativ neuen Märkten wie biomedizinischen Geräten und zivilen Strukturen etabliert werden. Ein Schlüsselfaktor, der die erhöhten Anwendungen von Verbundwerkstoffen in den letzten Jahren vorantreibt, ist die Entwicklung neuer fortschrittlicher Formen von FRP -Materialien. Dies umfasst Entwicklungen in Hochleistungsharzsystemen und neuen Verstärkungsstilen wie Kohlenstoffnanoröhren und Nanopartikeln. Dieses Buch enthält einen aktuellen Bericht über die Herstellung, die mechanischen Eigenschaften, die Delaminierungswiderstand, die Aufpralltoleranz und die Anwendungen von 3D-FRP-Verbundwerkstoffen.
Die Faserverstärkten -Polymerverbundwerkstoffe (FRPS) werden zunehmend als Verbesserung der Infrastrukturkomponenten oder -systeme, die aus traditionellen Bauwerkstoffe konstruiert sind, nämlich Beton und Stahl, angesehen. FRP-Verbundwerkstoffe sind leicht, nicht korrosiv, weisen eine hohe spezifische Festigkeit und die spezifische Steifheit auf, sind leicht zu konstruieren und können auf die Erfüllung der Leistungsanforderungen zugeschnitten werden. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften wurden FRP -Verbundwerkstoffe in die Neubauung und die Rehabilitation von Strukturen durch ihre Verwendung als Verstärkung in Beton, Brückendecks, modularen Strukturen, Schalung und externer Verstärkung für die Stärkung und das seismische Upgrade einbezogen.
Die Anwendbarkeit von Faserverstärkungspolymerverstärkungen (FRP) auf Betonstrukturen als Ersatz für Stahlstangen oder Vorspannungssehnen wurde in zahlreichen Forschungslabors und Berufsverbänden auf der ganzen Welt aktiv untersucht. FRP-Verstärkungen bieten eine Reihe von Vorteilen wie Korrosionsresistenz, nichtmagnetische Eigenschaften, hohe Zugfestigkeit, leichtes Gewicht und Leichtigkeit des Handlings. Sie haben jedoch im Allgemeinen eine lineare elastische Reaktion in der Spannung bis zum Versagen (als ein spröder Versagen beschrieben) und einen relativ schlechten Quer- oder Scherwiderstand. Sie haben auch einen schlechten Brandbeständigkeit und wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Sie verlieren beim Biegen eine signifikante Festigkeit und reagieren empfindlich gegenüber Stress-Retur-Effekten. Darüber hinaus sind ihre Kosten, unabhängig davon, ob sie pro Gewicht der Einheit oder auf der Grundlage der Krafttransportkapazität berücksichtigt werden, im Vergleich zu herkömmlichen Stahlverstärkungsstäben oder Vorspannungssehnen hoch. Aus Sicht der Strukturingenieur sind die schwerwiegendsten Probleme mit FRP -Verstärkungen der Mangel an plastischen Verhalten und die sehr niedrige Scherfestigkeit in Querrichtung. Solche Merkmale können zu einer vorzeitigen Sehnenruptur führen, insbesondere wenn kombinierte Effekte vorhanden sind, z. Die Dübelwirkung reduziert die restliche Zug- und Scherbeständigkeit in der Sehne. Es wurden Lösungen und Einschränkungen der Nutzung angeboten und in Zukunft werden kontinuierliche Verbesserungen erwartet. Die Einheitenkosten für FRP -Verstärkungen werden voraussichtlich mit zunehmendem Marktanteil und Nachfrage erheblich sinken. Noch heute gibt es Anwendungen, bei denen FRP -Verstärkungen kostengünstig und gerechtfertigt sind. Zu diesen Fällen gehören die Verwendung von FLP -Blättern oder -platten bei der Reparatur und Stärkung von Betonstrukturen sowie die Verwendung von GFP -Maschen oder Textilien oder Stoffen in dünnen Zementprodukten. Die Kosten für die Reparatur und Rehabilitation einer Struktur sind immer relativ höher als die Kosten der anfänglichen Struktur. Reparaturen erfordert im Allgemeinen ein relativ kleines Volumen an Reparaturmaterialien, jedoch ein relativ hohes Engagement für die Arbeit. Darüber hinaus sind die Arbeitskosten in den Industrieländern so hoch, dass die Materialkosten sekundär werden. Die Leistung und Haltbarkeit des Reparaturmaterials ist daher die Reparatur. Dies impliziert, dass materielle Kosten bei Reparaturen nicht wirklich ein Problem sind und dass die Tatsache, dass FRP -Reparaturmaterialien kostspielig sind, kein Einschränkungsnachteil ist.
Bei der Betrachtung von nur Energie- und materiellen Ressourcen ist das Argument für FRP -Verbundwerkstoffe in einer nachhaltigen Umgebung fraglich. Eine solche Schlussfolgerung muss jedoch anhand der potenziellen Vorteile bewertet werden, die bei der Verwendung von FRP -Verbundwerkstoffen im Zusammenhang mit Überlegungen wie:
Höhere Stärke
Leichteres Gewicht
Höhere Leistung
Länger dauerhaft
Rehabilitierung bestehender Strukturen und Verlängerung ihres Lebens
Seismische Upgrades
Verteidigungssysteme
Weltraumsysteme
Meeresumgebungen
Bei FRP -Verbundwerkstoffen scheinen Umweltprobleme eine Barriere für ihre Machbarkeit als nachhaltiges Material zu sein, insbesondere bei der Berücksichtigung der mit der Produktion im Zusammenhang mit fossilen Brennstoffabreicher, Luftverschmutzung, Smog und Ansäuerung. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, FRP -Verbundwerkstoffe zu recyceln, begrenzt, und im Gegensatz zu Stahl und Holz können strukturelle Komponenten nicht wiederverwendet werden, um eine ähnliche Funktion in einer anderen Struktur auszuführen. Die Bewertung der Umweltauswirkungen von FRP -Verbundwerkstoffen in Infrastrukturanwendungen, insbesondere in Bezug auf Lebenszyklusanalyse, kann jedoch direkte und indirekte Vorteile aufweisen, die wettbewerbsfähiger sind als herkömmliche Materialien.
Verbundwerkstoffe haben sich seit ihrer ersten Einführung stark entwickelt. Bevor Verbundwerkstoffe jedoch als Alternative zu herkömmlichen Materialien als Teil einer nachhaltigen Umgebung verwendet werden können, verbleiben eine Reihe von Anforderungen.
Verfügbarkeit standardisierter Daten zur Haltbarkeitscharakterisierungsdaten für FRP -Verbundwerkstoffe.
Integration von Daten und Methoden der Lebensdauer der Lebensdauer der Vorhersage von Strukturmitgliedern unter Verwendung von FRP -Verbundwerkstoffen.
Entwicklung von Methoden und Techniken für die Materialauswahl basierend auf Lebenszyklusbewertungen von strukturellen Komponenten und Systemen.
Damit Verbundwerkstoffe wirklich als praktikable Alternative angesehen werden können, müssen sie letztendlich strukturell und wirtschaftlich machbar sein. Zahlreiche Studien zur strukturellen Machbarkeit von Verbundwerkstoffen sind in der Literatur weit verbreitet. Über die wirtschaftliche und ökologische Durchführbarkeit dieser Materialien sind jedoch begrenzte Studien aus Sicht eines Lebenszyklusansatzes verfügbar, da kurzfristige Daten verfügbar sind oder nur wirtschaftliche Kosten im Vergleich berücksichtigt werden. Zusätzlich müssen die langfristigen Auswirkungen der Verwendung von Verbundwerkstoffen bestimmt werden. Die Nebenprodukte der Produktion, die Nachhaltigkeit der konstituierenden Materialien und das Potenzial, Verbundwerkstoffe zu recyceln, müssen bewertet werden, um zusammengesetzte Materialien Teil einer nachhaltigen Umgebung zu ermitteln. Beschreiben Sie daher in diesem Kapitel die physikalisch -chemischen Eigenschaften von Polymeren und Verbundwerkstoffen, die in der Bauingenieurwesen eher verwendet werden. Das Thema wird in einem einfachen und grundlegenden Verständnis behandelt.
