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土木工程采用高性能纤维复合材料的工艺

文章出处:网络责任编辑:管理员人气:发表时间:2015-09-19【

获奖项目:土木工程用高性能纤维复合材料制备及应用关键技术

主要完成人:岳清瑞,张继文,薛忠民,冯鹏,吕志涛,杨勇新,叶列平,张林文,陆新征,李荣 copyright 123456
推荐单位:中国冶金科工集团有限公司
获奖等级:国家科技进步奖二等奖 copyright 123456

  项目简介: 123456

  高性能纤维复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)是继钢材、混凝土后又一新型土木工程结构材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、可设计等优点,可显著提高土木工程结构的性能、延长其使用寿命,对我国城镇化发展、防灾减灾、海洋开发等具有重大意义。
        项目实施前,土木工程FRP的关键技术与装备被美、日等发达国家垄断,产品完全依赖进口,价格昂贵,我国没有国产产品、没有专用装备、没有技术标准。项目组历经十多年的产学研联合攻关,围绕FRP制品、生产装备、工程性能表征评价、应用技术等四大需求,攻克了十项关键核心技术,形成了国际上最完整的土木工程用FRP技术体系,实现了产业化。 123456

        主要创新性成果如下:
        1. 针对土木工程FRP制品产业化的重大需求,攻克了高性能低成本FRP制造中筋/索加肋成绞、稀纬定纹织造和超薄超大拉挤等关键核心技术,自主开发了FRP筋/索、织物、板、型材和配套树脂5大类FRP制品,性能指标达到或超过欧美日同类产品水平。其中,CFRP索的拉伸强度达到2900MPa(国际上为2600MPa);FRP筋的生产速度提高了4倍,生产成本降低30%。
        2. 针对土木工程FRP制品生产装备的重大需求,国际首创了连续拉挤-缠绕-绞合一体化装备,攻克了多维多向机构耦合和纤维张力精细控制的技术难题,研制了3大系列数字化成套装备。其中,设备效率提高3~5倍,纤维张力控制在0.08N(0.22~0.30N)范围内,国际上一般为0.9N(0.1~1.0N)。

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        3. 针对土木工程FRP性能表征评价的重大需求,国际上首创了正拉粘结强度评价界面性能等检测方法,建立了基于强度和应变双准则的材料设计和工程应用理论,首次提出了土木工程FRP设计取值方法,构建了设计、测试和评价体系,部分成果被美国规范引用,得到行业组织和国际同行的高度评价。
        4. 针对土木工程FRP应用技术的重大需求,在FRP结构安全裕度控制理论上取得重大突破,开发了4类既有结构的加固技术和5种FRP新型结构体系,创新性地完成了国内首座CFRP索斜拉桥、首座CFRP悬挂建筑、首座FRP桁架桥、首座万米级FRP工业平台等多项应用示范工程。

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        共获得授权发明专利8件、实用新型专利27件,主编国家标准4部、行业标准6部,出版专著6部,发表论文316篇,其中SCI/EI收录57篇,他引4971次,获得省部级特等奖1项、一等奖2项。研发出5大类FRP产品,替代进口并大量出口;研发出3大系列6个品种专用装备,约25%出口欧美日等国;成果在国内外3000多项重要建筑、桥梁、隧道、港口码头、市政工程及抢险救灾中应用,取得可统计的直接经济效益18.4亿元,间接经济效益约40亿元,未统计到的经济效益更加巨大。成果带动并形成了FRP应用的新市场和新产业链,使我国成为国际土木工程应用FRP发展最快、数量最多、范围最广的国家,实现了土木工程FRP产业的跨越式发展。

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部分完成人事迹介绍:  
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  岳清瑞
        岳清瑞同志从1996年开始在国内率先开展碳纤维复合材料(CFRP)在土木工程中应用技术研究与推广工作,开辟了我国高性能纤维复合材料(FRP)在土木工程应用新的技术领域与方向,是我国该技术领域的学科带头人与主要奠基者。 内容来自123456
        九十年代中后期,国内FRP加固市场几乎是一片空白,岳清瑞带领团队先是扎扎实实搞碳纤维的技术研究,着力提高改善碳纤维的性能,开发新品种;随后又组织人员开拓国内市场,努力推广碳纤维在土木领域的应用。率先研发并建立了CFRP加固混凝土结构应用技术体系,组建了国内首个土木工程FRP学术组织,主编了我国首部FRP应用国家标准和行业标准,构建了我国土木工程FRP应用标准规范体系,共主编完成国家标准和行业标准8部,主持并参编9部,出版专著4部,发表论文151篇,其中SCI/EI收录27篇,培养博士与硕士15人。

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        在国内最早提出了CFRP与混凝土、钢材的界面粘结滑移本构关系,并纳入标准指导工程,为CFRP加固设计与应用奠定了基础。开展了不同类型构件在多因素、多工况下静动力及疲劳等方面的试验研究,提出了基于强度和应变双准则的CFRP材料设计和加固设计理论,提出了CFRP加固混凝土和钢结构的设计、施工及验收体系,包括CFRP加固混凝土基本受力构件、预应力CFRP加固混凝土受弯构件、CFRP提升钢梁疲劳性能的加固设计方法等。
        主持研发出多种类国产系列FRP材料与制品,包括CFRP布、板、筋材,常温、低温及高湿热等特殊环境条件下应用的树脂材料等;建立了土木工程FRP工程性能表征评价体系,包括FRP制品参数与性能指标及FRP界面粘结性能检测评价标准;建立了考虑分项系数、环境影响系数和保证率的材料设计指标体系,提出了加固用FRP材料及制品的强度分级原则;通过对不同自然环境及多种快速老化环境下的FRP性能劣化规律研究,提出了评价和预测FRP耐久性能的基准映射方法和多因素耦合方法,为我国土木工程FRP应用奠定了材料基础。 123456

        2000年发起并组织召开首届全国土木工程FRP应用学术交流会,牵头组建了我国第一个土木工程用FRP学术组织:中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会FRP及工程应用专业委员会;1998年发表的“碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构新技术”是国内该领域最早的论文,发表论文被CNKI他引达2046次,单篇最高被他引达325次。
        从1998年完成国内第一个CFRP加固混凝土结构工程以来,主持完成工程应用实例近200项,通过工程应用示范,推动了国内土木工程用FRP技术的发展与应用,带动并形成了FRP新的应用领域,使我国成为国际应用FRP发展最快、数量最多的国家。

本文来自123

        张继文
        张继文同志从事碳纤维、芳纶纤维以及高性能玻璃纤维复合材料在土木工程技术领域的应用研究与工程实践,从1996年开始一直始终不渝地坚持对这一新型土木工程领域开展深入而广泛的研究。从材料性能的测试方法与标准研究,理论分析研究,试验研究,工程设计,试点工程的开拓实践和现场测试,施工工法的实践摸索与建立,行业规范和国家规范的编制,以及坚持联合并指导材料研发和装备研发单位开展爱游戏官方app复合材料片材、筋材和型材的研发,进行了长期艰苦的,不需报酬的方方面面的研究与实践工作。 copyright 123456
        开展了成千上百次的试验研究,度过了不知多少个不眠之夜,其中,每项材料与结构技术为保证工程的长期性能,通常都必须进行疲劳试验研究,每次疲劳试验都需夜以继日的连续作战,尤其在炎热夏天没有空调的试验室,结构在做试验的同时,人也在经受着试验。碳纤维片材的拉伸性能、碳纤维筋材的受压性能研究的试件及测试方法、难度相当大,特别是试件尺寸精度控制和拉伸夹持装置难度非常高,进行了上百次的探索,最终研究掌握了成套测试技术。高强度的碳纤维筋材的锚固技术是这一技术领域的很难攻克的难题,通过反反复复10多年的试验,终于成功研发出粘结型和夹持型两大类锚固技术,形成了10项专利技术,掌握了核心技术,今年带领团队成功研发出2900MPa的碳纤维绞线及其高效锚固系统,技术水平已达到国际领先。率先系统开展了芳纶纤维预应力混凝土结构技术的研究,碳纤维筋混凝土柱的受压性能、抗震性能,耐腐蚀性能;开展了碳纤维连续梁、连续板、以及矩形和梯形截面受扭构件的研究,开展了两节段16成的碳纤维拉索悬挂减振建筑的振动台试验。

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        在吕志涛院士的指导下,除了学术研究外,积极大胆开展典型工程的应用实践,负责完成了几百项具有开创性的实际工程。例如,在国内较早开展并完成碳纤维加固南通商业大厦1000米见方大截面尺寸柱的实际工程,研究出相应的设计计算方法;完成国内第一座碳纤维拉索斜拉桥和首座悬挂建筑,率先在国内开展了高性能纤维筋的高速铁路无砟轨道板的研制,成功在轨道交通领域中开发出高性能纤维筋声屏障结构板,在较短的工期范围内,完成了这种新型结构的设计、试验、现场测试和构件制作与安装;率先在人防应急加固工程中开展全面研究并在无锡泰翔大厦中得到成功应用,研究成果得到广泛应用,为解决我国人均人防面积少的问题提供了有力的技术支撑,产生了显著的社会效益和战备意义。通过这些开拓性的研究与实践工作,积累了丰富的工程经验,建立了成套的施工工艺。研究成果为国家规范、标准的制定提供科学依据。
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        薛忠民
        薛忠民同志自1988年参加工作以来,一直从事复合材料相关科研和管理工作。1997破格晋升高级工程师,2002年晋升教授级高级工程师。1998-2004年间,历任北京玻璃钢研究设计院科技处处长、副院长、院长。2005年2011年,担任中材科技股份有限公司(下称中材科技)副总裁兼北京玻钢院复合材料有限公司董事长、中材科技风电叶片股份有限公司董事长。2011年至2013年5月,担任中材科技副董事长,2013年5月至今担任中材科技董事长。

内容来自123456


        薛忠民曾担任国家十五“863”计划第一届新材料领域结构材料主题专家组成员、 “863”国防先进材料专家组成员,是复合材料行业学术带头人,享受国务院政府特殊津贴。同时担任多项学术团体职务:如中国硅酸盐学会玻璃钢学会第八届理事会理事长、全国纤维增强塑料标准化技术委员会主任委员等。
        他先后主持和完成了10余项国家级科技项目和部级科研项目,主持完成了多项新产品研发,获授权专利10项。获国家科技进步二等奖1项、建材科学技术进步一等奖3项,建材行业技术革新一等奖1项;因业绩突出相继被授予协作配套先进个人、“九五”科技攻关先进个人、中央国家机关优秀青年、新世纪百千万人才工程国家级人选等荣誉称号。2011年当选中国科协第八届代表大会代表。2012年荣获第五届全国科技优秀工作者称号。

本文来自123


        薛忠民坚持以科技为先导,依托国家“863”计划、国家科技支撑、国家发改委专项等十余项国家级科研项目所取得科研成果,成功实现了复合材料技术在风电叶片和高端汽车用复合材料等领域的产业化。
2004年起,薛忠民作为负责人带领大型复合材料风电叶片研发团队历时数年,解决了大型叶片关键原材料国产化技术、大型复合材料模具设计制造技术、真空辅助树脂灌注成型技术等一系列关键技术,成功开发出具有自主知识产权、当时国内尺寸最大的1.5MW/40.2m的风电叶片,并于2006年实现装机试验成功。2007年成立中材科技风电叶片股份有限公司,目前已经在国内六省市建成7个产业化基地,成立至今实现销售收入50多亿元。 本文来自123
        2009年,薛忠民主持科技部国际科技合作项目 “高性能复合材料快速架设桥梁关键技术联合研发”,该项目攻克了全复合材料桁架桥设计、制备和连接等系列关键技术,成功研制了国内首座全复合材料桁架桥,并作为第一座茅以升公益桥于2012年6月落户重庆,充分发挥了复合材料桥梁在山区快速架设优势,为西部偏远贫困地区的少年儿童架设安全求学之桥。作为未来桥梁技术发展的方向之一,成果也成为这项新技术的科技示范,将为复合材料在桥梁上的推广应用起到积极的促进作用。
        研究团队介绍:

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        项目研究团队由来自2家行业领军的国家科研院所改制企业、2所顶尖大学和2家具有创新意识的民营企业的科研人员构成,来自土木工程、复合材料、装备制造多个行业。
        从1996年开始组建,由中冶建筑研究总院有限公司的岳清瑞教授发起了碳纤维布加固混凝土结构的研究,并与清华大学、东南大学等开展合作,将企业的应用优势和高校研究优势进行结合,取得了一系列丰富的研究和应用成果,在上世纪末就初步奠定了我国的土木工程用FRP的研究和应用基础。

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        但在初期,所采用的FRP材料基本都是进口,形式也较为单一,极大地制约了我国FRP工程应用的发展。面对这样的情况,从2000年前后,邀请了北京玻璃钢研究院(中材科技股份有限公司前身)以及南京海拓复合材料有限责任公司等复合材料制造企业加入团队,共同针对土木工程应用进行国产FRP产品开发,相继研发出多种树脂材料、纤维片材等加固材料。
        与此同时,项目团队积极开展研究,努力拓展FRP的土木工程应用形式,引领性地研发出了筋、索、型材、桥面板等FRP的土木工程应用,还针对性能表征评价方法、结构安全裕度控制理论等难题进行攻坚,建立了FRP工程应用理论基础;还编写了一系列规范标准引领行业的发展。仅用了不到10年的时间,就使FRP在土木工程中成为一种广泛应用的主流加固用材料和具有广泛应用前景的新型材料。 内容来自123456

        随着应用量的增大和应用形式的增多,对FRP材料制造的需求也越来越多,土木工程用FRP产业化成为行业发展的趋势,项目团队又吸引了南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司这样的具有创新能力的企业加入,攻克了一系列土木工程用FRP低成本化和高性能化的关键技术,不仅实现了产品和装备的国产化,还开始出口国外。经过近8年的努力,项目团队的研发支撑了我国的土木工程用FRP材料、装备、产品、评价、应用等各个环节,使土木工程FRP形成了一个新产业链。

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        研发期间,项目团队一直锐意进取,进行了多项创新性工程示范,包括:国内首个爱游戏官方app复合材料加固工程、首个碳纤维拉索斜拉桥、首个碳纤维索悬挂建筑、首座拼装式复合材料桁架桥、首座万米级全复合材料工业防腐平台等,不断突破高性能纤维复合材料在土木工程中应用瓶颈。  内容来自123456

        项目团队历时17年,完成了15项国家科研项目,攻克了10项关键技术,研制了5大类产品和3大系列专用装备,创立了标准规范体系,形成了4大类既有结构加固和5种新型结构应用技术,完成了3000余项工程示范应用,取得了一系列国际领先的创新性成果,引领了并实现了我国土木工程应用新材料技术和高性能纤维复合材料产业化应用的跨越式发展。

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