常浩++傅麗強

摘要：

通過抗風(fēng)試驗、抗震試驗、防雪承載試驗、保溫試驗及防彈試驗，表明用L-RTM成型方法制得的玻璃鋼可以作為多功能房材料，滿足其風(fēng)吹日曬、酸堿侵蝕、移動便捷、安裝方便等要求。更由于其可以具有一定保溫防彈功能，拓展了使用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼；防彈；多功能房；L-RTM

活動房作為一種臨時建筑形式有著悠久的歷史，它源于民而標準化于軍事?；顒臃靠煞奖憧焖俚剡M行組裝和拆卸，能夠重復(fù)使用，使得臨時建筑進入到一個標準化設(shè)計、系列化開發(fā)、規(guī)模化生產(chǎn)、配套化供應(yīng)、可庫存、環(huán)保節(jié)能的定型產(chǎn)品領(lǐng)域。

目前國內(nèi)的活動板房種類有以下三類：水泥活動房、磷鎂活動房和彩鋼板活動房。這三種活動板房在民用領(lǐng)域中正在大量使用。雖然在軍用領(lǐng)域中也在使用，但其安裝效率不高以及不具有防彈性能，大大降低了在軍用領(lǐng)域使用的意義。

1 FRP多功能活動房性能

FRP（Fiber Reinforced Plastics），意即纖維增強復(fù)合塑料。FRP 由增強纖維和基體組成，基體常采用樹脂。根據(jù)所采用的增強纖維的材料不同，可將 FRP 分為 GFRP（玻璃纖維增強塑料）、CFRP（碳纖維增強塑料）、AFRP（芳綸纖維增強塑料）等。在結(jié)構(gòu)工程中最常用的是 GFRP和 CFRP。GFRP 在我國經(jīng)常被稱為玻璃鋼，通常的 FRP 型材均為 GFRP。基體材料是熱塑性樹脂、聚酯樹脂、乙烯樹脂。FRP首次作為結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)于 1942 年，美國軍方用手糊的 GFRP 制作雷達天線罩。不同纖維的化學(xué)成分不同，力學(xué)性能也有較大差別，相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。常見的幾種力學(xué)性能見表1。

FRP復(fù)合材料具有以下優(yōu)點：[1]

1）有很高的比強度，即通常所說的輕質(zhì)高強。因此采用FRP材料可減輕結(jié)構(gòu)自重。同時FRP的抗拉強度均明顯超過了鋼筋與高強鋼絲差不多且在達到抗拉強度之前幾乎沒有塑性變形產(chǎn)生。

2）有良好耐腐蝕性。FRP可以在酸、堿 、氯鹽和潮濕的環(huán)境中長期使用。這是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以比擬的。

3）具有很好的可設(shè)計性。FRP屬于人工材料，可以通過使用不同的纖維材料、纖維含量和鋪陳方向設(shè)計出各種強度指標、彈性模量以及特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。 而且產(chǎn)品成型方便，形狀可靈活設(shè)計。

4）具有很好的彈性性能 。應(yīng)力應(yīng)變曲線接近線彈性。在發(fā)生較大變形后還能恢復(fù)原狀， 塑性變形小， 有利于結(jié)構(gòu)偶然超載后的變形恢復(fù)。

5）FRP產(chǎn)品適合在工廠生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場安裝，有利于保證工程質(zhì)量，提高勞動效率。

常用 FRP 型材材料和鋼材的主要物理性能指標比較見表2，由表可知FRP 材料輕質(zhì)高強，彈性模量低，且縱向模量與剪切模量之比遠大于鋼材。

FRP 材料由于輕質(zhì)高強的性質(zhì)，構(gòu)件可預(yù)制，對基礎(chǔ)的要求低，符合活動房的材料性質(zhì)的基本要求。此外，F(xiàn)RP 還有著其他很多優(yōu)點，如（1）FRP對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽及多種油類和溶劑的腐蝕抵抗能力；（2）FRP 是優(yōu)良的絕緣材料，高頻下仍能保持良好的介電性；（3）FRP 室溫下的熱導(dǎo)率只有金屬的 1/100～1/1000，絕熱性能優(yōu)良；（4）FRP 有著很好的工藝性，對形狀復(fù)雜、不易成型的產(chǎn)品，其工藝的優(yōu)越性更為突出。

FRP多功能活動房是一種用復(fù)合增強材料經(jīng)真空負壓吸附而制成的、可快速組裝的多用途輕質(zhì)活動房，既能承受拉應(yīng)力，又可承受彎曲、壓縮和剪切應(yīng)力，耐高溫、耐腐蝕以及耐候性強（抗紫外線、抗鹽霧、抗酸堿性）等優(yōu)越性能 。不生銹、不降低強度，具有抗震、抗風(fēng)等優(yōu)越性，阻燃性可根據(jù)要求而定，組裝方便、快捷，產(chǎn)品光澤、順滑，不需要二次裝潢即可直接使用。

2 FRP多功能房設(shè)計及工藝

2.1 FRP 結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法從力學(xué)計算的角度可分為彈性設(shè)計法和塑性設(shè)計法；從可靠度的角度分為定值的安全系數(shù)設(shè)計法和概率設(shè)計法兩大類，具體的分類見圖1。

從力學(xué)計算的角度，F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法是彈性設(shè)計法。從可靠度的角度，F(xiàn)RP 結(jié)構(gòu)目前主要有容許應(yīng)力設(shè)計法和半概率極限狀態(tài)設(shè)計法。

2.1.1 容許應(yīng)力法

容許應(yīng)力法是目前美國規(guī)范采用的設(shè)計方法。對于 FRP 型材，正常使用時其基本上是線彈性的，由于其正常使用時的荷載和破壞時的荷載是相近的，所以對 FRP 型材往往采用較大的安全系數(shù)。

2.1.2 半概率極限狀態(tài)設(shè)計法

由于 FRP 型材的破壞為脆性破壞，且其在荷載長期作用下的性能研究尚不完善，基于此一般認為對其采用較大的可靠性指標，3.0～4.5。但是，由于FRP 結(jié)構(gòu)的工程目前很少，對其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的可靠性指標研究缺少資料。因此要想采用由一次二階矩法反推出來的荷載與抗力分項系數(shù)法還存在困難。

歐洲規(guī)范目前采用的設(shè)計方法是，基于半概率極限狀態(tài)設(shè)計法的荷載與抗力分項系數(shù)的表達形式，即

式中 Sk，Rk ，Rd——荷載標準值，抗力標準值，荷載設(shè)計值；

γi ，γR——荷載和材料抗力分項系數(shù)，任何情況下， γR≥1.5；

γ1 ， γ2 ，γ3 ——分別為考慮材料參數(shù)的來源方法的、材料的制作工藝、荷載周期和構(gòu)件使用溫度的系數(shù)，取值見表3。

2.2 FRP成型工藝

基本上分兩大類，即濕法接觸型和干法加壓成型。如按工藝特點來分，有手糊成型、層壓成型、RTM法、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無模手糊法。

目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。

1）手糊法：主要使用國家有挪威、日本、英國、丹麥等。

2）噴射法：主要使用國家有瑞典、美國、挪威等。

3）模壓法：主要使用國家有德國等。

4）RTM法（樹脂傳遞模塑）：主要使用國家有歐美各國、日本。

此外，還有纖維纏繞成型法、拉擠成型法和熱壓灌成型法等等。

我國有90%以上的FRP產(chǎn)品是手糊法生產(chǎn)的，其他有模壓法、纏繞法、層壓法等。日本的手糊法仍占50%。從世界各國來看，手糊法仍占相當比重，說明它仍有生命力。手糊法的特點是用濕態(tài)樹脂成型，設(shè)備簡單，費用少，一次能糊10m以上的整體產(chǎn)品。缺點是機械化程度低，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量不穩(wěn)定。我國從國外引進了擠拉、噴涂、纏繞等工藝設(shè)備，隨著FRP工業(yè)的發(fā)展，新的工藝方法將會不斷出現(xiàn)。

FRP多功能房采用的生產(chǎn)工藝是L-RTM（輕型樹脂傳遞模塑工藝）。L-RTM是近年來發(fā)展迅速的低成本制造工藝，目前在船艦、汽車、工業(yè)和醫(yī)用復(fù)合材料領(lǐng)域中應(yīng)用已有超過RTM工藝的趨勢。

傳統(tǒng)的RTM工藝，由于是閉模工藝，具有減少揮發(fā)性有機物（VOC）排放擴大可用原材料范圍、降低用工成本、環(huán)境友善以及可得到兩面光潔的產(chǎn)品等優(yōu)點。但是在RTM工藝中，樹脂的注入是在較高的壓力和流速下進行的，因此我們要使模具的結(jié)構(gòu)強度和剛度足夠大，以使得在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復(fù)合材料，或用數(shù)控機床加工的鋁?；蜾撃＃@使制造費用增大，只有產(chǎn)量足夠大的產(chǎn)品，才能抵消模具費用。此外為了閉合模具，要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統(tǒng)。上述因素都限制了RTM工藝在大產(chǎn)品上的應(yīng)用。

L-RTM工藝保留了RTM工藝的對模工藝，幾乎保留了RTM工藝的所有的優(yōu)點。但其上模為半剛性的玻璃鋼（FRP）模，厚度一般為6mm～8mm，通常不需要用鋼管加固，模具有一個寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構(gòu)成一個獨立的密封區(qū)，只要一抽真空模具即閉合，非常方便、快捷。然后對模腔內(nèi)抽真空，利用模內(nèi)的負壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預(yù)先鋪設(shè)的增強纖維或預(yù)制件中。L-RTM的模具費用低，而且由于模內(nèi)的受壓降低，其模具已和開模相近，很容易從開模工藝的模具改造過來。L-RTM的主要設(shè)備包括樹脂注入裝置、模具、抽真空裝置和其他輔助工具等。[2]

3 FRP多功能房拓展應(yīng)用

玻璃鋼是復(fù)合材料的一種，玻璃鋼材料因其獨特的性能優(yōu)勢，已在航空航天、鐵道鐵路、裝飾建筑、家居家具、廣告展示、工藝禮品、建材衛(wèi)浴、游艇泊船、體育用材、環(huán)衛(wèi)工程等相關(guān)十多個行業(yè)中廣泛應(yīng)用，并深受贊譽，成為材料行業(yè)中新時代商家的需求寵兒。

國內(nèi)關(guān)于L-RTM工藝及產(chǎn)品的報道不多，但在國外的應(yīng)用發(fā)展卻很快，并有超過RTM技術(shù)應(yīng)用的趨勢。目前常見的應(yīng)用領(lǐng)域，有航空航天、軍事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天領(lǐng)域的艙門、風(fēng)扇葉片、機頭雷達罩、飛機引擎罩等：軍事領(lǐng)域的魚雷殼體、油箱、發(fā)射管等；交通領(lǐng)域的輕軌車門、公共汽車側(cè)面板、汽車底盤、保險杠、卡車頂部擋板等；建筑領(lǐng)域的路燈的管狀燈桿、風(fēng)能發(fā)電機機罩、裝飾用門、椅子和桌子、頭盔等；船舶領(lǐng)域的小型劃艇船體、上層甲板等。

用L-RTM工藝生產(chǎn)的FRP多功能房安裝便捷，移動方便，美觀大方，物美價廉以及其保溫及防彈性能，配合防彈玻璃，可以為我邊防官兵以及各地哨兵提供安全舒適的營房和崗?fù)?。在多功能房的房頂可以添置太陽能電板，為那些身處戈壁海島的官兵送去更多的溫暖。對保障官兵住用，鞏固和提高部隊戰(zhàn)斗力具有重要作用。（見圖2，圖3，圖4）

FRP多功能房是一種可方便快速地進行組裝和拆卸，能夠重復(fù)使用，使得臨時建筑具有標準化設(shè)計、系列化開發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)、配套化供應(yīng)、可庫存、環(huán)保節(jié)能等多種優(yōu)異性能。但目前涉及研究和生產(chǎn)不多，特別對其性能了解不多，如果加大推廣，特別是在國防領(lǐng)域，可以有力地提高后勤保障能力，軍事和經(jīng)濟效益將十分可觀。

參考文獻：

[1]一鳴.中國玻璃鋼行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測分析報告前瞻[R].前瞻資訊，2013 .

[2] 中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼分會.第十七屆玻璃鋼復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會論文集[C].廣州：[出版者不詳]，2008.（作者單位：北京航天試驗技術(shù)研究所）