土木工程采用高性能纖維復合材料的工藝

獲獎項目：土木工程用高性能纖維復合材料制備及應用關鍵技術

主要完成人：岳清瑞，張繼文，薛忠民，馮鵬，呂志濤，楊勇新，葉列平，張林文，陸新征，李榮 copyright 123456
推薦單位：中國冶金科工集團有限公司
獲獎等級：國家科技進步獎二等獎 copyright 123456

　　項目簡介： 123456

　　高性能纖維復合材料（fiber reinforced polymer，簡稱FRP）是繼鋼材、混凝土后又一新型土木工程結構材料，具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、可設計等優(yōu)點，可顯著提高土木工程結構的性能、延長其使用壽命，對我國城鎮(zhèn)化發(fā)展、防災減災、海洋開發(fā)等具有重大意義。
        項目實施前，土木工程FRP的關鍵技術與裝備被美、日等發(fā)達國家壟斷，產(chǎn)品完全依賴進口，價格昂貴，我國沒有國產(chǎn)產(chǎn)品、沒有專用裝備、沒有技術標準。項目組歷經(jīng)十多年的產(chǎn)學研聯(lián)合攻關，圍繞FRP制品、生產(chǎn)裝備、工程性能表征評價、應用技術等四大需求，攻克了十項關鍵核心技術，形成了國際上最完整的土木工程用FRP技術體系，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。 123456

        主要創(chuàng)新性成果如下：
        1. 針對土木工程FRP制品產(chǎn)業(yè)化的重大需求，攻克了高性能低成本FRP制造中筋/索加肋成絞、稀緯定紋織造和超薄超大拉擠等關鍵核心技術，自主開發(fā)了FRP筋/索、織物、板、型材和配套樹脂5大類FRP制品，性能指標達到或超過歐美日同類產(chǎn)品水平。其中，CFRP索的拉伸強度達到2900MPa（國際上為2600MPa）；FRP筋的生產(chǎn)速度提高了4倍，生產(chǎn)成本降低30%。
        2. 針對土木工程FRP制品生產(chǎn)裝備的重大需求，國際首創(chuàng)了連續(xù)拉擠－纏繞－絞合一體化裝備，攻克了多維多向機構耦合和纖維張力精細控制的技術難題，研制了3大系列數(shù)字化成套裝備。其中，設備效率提高3~5倍，纖維張力控制在0.08N（0.22~0.30N）范圍內(nèi)，國際上一般為0.9N（0.1~1.0N）。

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        3. 針對土木工程FRP性能表征評價的重大需求，國際上首創(chuàng)了正拉粘結強度評價界面性能等檢測方法，建立了基于強度和應變雙準則的材料設計和工程應用理論，首次提出了土木工程FRP設計取值方法，構建了設計、測試和評價體系，部分成果被美國規(guī)范引用，得到行業(yè)組織和國際同行的高度評價。
        4. 針對土木工程FRP應用技術的重大需求，在FRP結構安全裕度控制理論上取得重大突破，開發(fā)了4類既有結構的加固技術和5種FRP新型結構體系，創(chuàng)新性地完成了國內(nèi)首座CFRP索斜拉橋、首座CFRP懸掛建筑、首座FRP桁架橋、首座萬米級FRP工業(yè)平臺等多項應用示范工程。

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        共獲得授權發(fā)明專利8件、實用新型專利27件，主編國家標準4部、行業(yè)標準6部，出版專著6部，發(fā)表論文316篇，其中SCI/EI收錄57篇，他引4971次，獲得省部級特等獎1項、一等獎2項。研發(fā)出5大類FRP產(chǎn)品，替代進口并大量出口；研發(fā)出3大系列6個品種專用裝備，約25%出口歐美日等國；成果在國內(nèi)外3000多項重要建筑、橋梁、隧道、港口碼頭、市政工程及搶險救災中應用，取得可統(tǒng)計的直接經(jīng)濟效益18.4億元，間接經(jīng)濟效益約40億元，未統(tǒng)計到的經(jīng)濟效益更加巨大。成果帶動并形成了FRP應用的新市場和新產(chǎn)業(yè)鏈，使我國成為國際土木工程應用FRP發(fā)展最快、數(shù)量最多、范圍最廣的國家，實現(xiàn)了土木工程FRP產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。

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部分完成人事跡介紹：　　

　　岳清瑞
        岳清瑞同志從1996年開始在國內(nèi)率先開展碳纖維復合材料（CFRP）在土木工程中應用技術研究與推廣工作，開辟了我國高性能纖維復合材料（FRP）在土木工程應用新的技術領域與方向，是我國該技術領域的學科帶頭人與主要奠基者。 內(nèi)容來自123456
        九十年代中后期，國內(nèi)FRP加固市場幾乎是一片空白，岳清瑞帶領團隊先是扎扎實實搞碳纖維的技術研究，著力提高改善碳纖維的性能，開發(fā)新品種；隨后又組織人員開拓國內(nèi)市場，努力推廣碳纖維在土木領域的應用。率先研發(fā)并建立了CFRP加固混凝土結構應用技術體系，組建了國內(nèi)首個土木工程FRP學術組織，主編了我國首部FRP應用國家標準和行業(yè)標準，構建了我國土木工程FRP應用標準規(guī)范體系,共主編完成國家標準和行業(yè)標準8部，主持并參編9部，出版專著4部，發(fā)表論文151篇，其中SCI/EI收錄27篇，培養(yǎng)博士與碩士15人。

        在國內(nèi)最早提出了CFRP與混凝土、鋼材的界面粘結滑移本構關系，并納入標準指導工程，為CFRP加固設計與應用奠定了基礎。開展了不同類型構件在多因素、多工況下靜動力及疲勞等方面的試驗研究，提出了基于強度和應變雙準則的CFRP材料設計和加固設計理論，提出了CFRP加固混凝土和鋼結構的設計、施工及驗收體系，包括CFRP加固混凝土基本受力構件、預應力CFRP加固混凝土受彎構件、CFRP提升鋼梁疲勞性能的加固設計方法等。
        主持研發(fā)出多種類國產(chǎn)系列FRP材料與制品，包括CFRP布、板、筋材，常溫、低溫及高濕熱等特殊環(huán)境條件下應用的樹脂材料等；建立了土木工程FRP工程性能表征評價體系，包括FRP制品參數(shù)與性能指標及FRP界面粘結性能檢測評價標準；建立了考慮分項系數(shù)、環(huán)境影響系數(shù)和保證率的材料設計指標體系，提出了加固用FRP材料及制品的強度分級原則；通過對不同自然環(huán)境及多種快速老化環(huán)境下的FRP性能劣化規(guī)律研究，提出了評價和預測FRP耐久性能的基準映射方法和多因素耦合方法，為我國土木工程FRP應用奠定了材料基礎。 123456

        2000年發(fā)起并組織召開首屆全國土木工程FRP應用學術交流會，牽頭組建了我國第一個土木工程用FRP學術組織：中國土木工程學會混凝土與預應力混凝土分會FRP及工程應用專業(yè)委員會；1998年發(fā)表的“碳纖維材料(CFRP)加固修補混凝土結構新技術”是國內(nèi)該領域最早的論文,發(fā)表論文被CNKI他引達2046次，單篇最高被他引達325次。
        從1998年完成國內(nèi)第一個CFRP加固混凝土結構工程以來，主持完成工程應用實例近200項，通過工程應用示范，推動了國內(nèi)土木工程用FRP技術的發(fā)展與應用，帶動并形成了FRP新的應用領域，使我國成為國際應用FRP發(fā)展最快、數(shù)量最多的國家。

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        張繼文
        張繼文同志從事碳纖維、芳綸纖維以及高性能玻璃纖維復合材料在土木工程技術領域的應用研究與工程實踐，從1996年開始一直始終不渝地堅持對這一新型土木工程領域開展深入而廣泛的研究。從材料性能的測試方法與標準研究，理論分析研究，試驗研究，工程設計，試點工程的開拓實踐和現(xiàn)場測試，施工工法的實踐摸索與建立，行業(yè)規(guī)范和國家規(guī)范的編制，以及堅持聯(lián)合并指導材料研發(fā)和裝備研發(fā)單位開展碳纖維復合材料片材、筋材和型材的研發(fā)，進行了長期艱苦的，不需報酬的方方面面的研究與實踐工作。 copyright 123456
        開展了成千上百次的試驗研究，度過了不知多少個不眠之夜，其中，每項材料與結構技術為保證工程的長期性能，通常都必須進行疲勞試驗研究，每次疲勞試驗都需夜以繼日的連續(xù)作戰(zhàn)，尤其在炎熱夏天沒有空調(diào)的試驗室，結構在做試驗的同時，人也在經(jīng)受著試驗。碳纖維片材的拉伸性能、碳纖維筋材的受壓性能研究的試件及測試方法、難度相當大，特別是試件尺寸精度控制和拉伸夾持裝置難度非常高，進行了上百次的探索，最終研究掌握了成套測試技術。高強度的碳纖維筋材的錨固技術是這一技術領域的很難攻克的難題，通過反反復復10多年的試驗，終于成功研發(fā)出粘結型和夾持型兩大類錨固技術，形成了10項專利技術，掌握了核心技術，今年帶領團隊成功研發(fā)出2900MPa的碳纖維絞線及其高效錨固系統(tǒng)，技術水平已達到國際領先。率先系統(tǒng)開展了芳綸纖維預應力混凝土結構技術的研究，碳纖維筋混凝土柱的受壓性能、抗震性能，耐腐蝕性能；開展了碳纖維連續(xù)梁、連續(xù)板、以及矩形和梯形截面受扭構件的研究，開展了兩節(jié)段16成的碳纖維拉索懸掛減振建筑的振動臺試驗。

        在呂志濤院士的指導下，除了學術研究外，積極大膽開展典型工程的應用實踐，負責完成了幾百項具有開創(chuàng)性的實際工程。例如，在國內(nèi)較早開展并完成碳纖維加固南通商業(yè)大廈1000米見方大截面尺寸柱的實際工程，研究出相應的設計計算方法；完成國內(nèi)第一座碳纖維拉索斜拉橋和首座懸掛建筑，率先在國內(nèi)開展了高性能纖維筋的高速鐵路無砟軌道板的研制，成功在軌道交通領域中開發(fā)出高性能纖維筋聲屏障結構板，在較短的工期范圍內(nèi)，完成了這種新型結構的設計、試驗、現(xiàn)場測試和構件制作與安裝；率先在人防應急加固工程中開展全面研究并在無錫泰翔大廈中得到成功應用，研究成果得到廣泛應用，為解決我國人均人防面積少的問題提供了有力的技術支撐，產(chǎn)生了顯著的社會效益和戰(zhàn)備意義。通過這些開拓性的研究與實踐工作，積累了豐富的工程經(jīng)驗，建立了成套的施工工藝。研究成果為國家規(guī)范、標準的制定提供科學依據(jù)。

        薛忠民
        薛忠民同志自1988年參加工作以來，一直從事復合材料相關科研和管理工作。1997破格晉升高級工程師，2002年晉升教授級高級工程師。1998－2004年間，歷任北京玻璃鋼研究設計院科技處處長、副院長、院長。2005年2011年，擔任中材科技股份有限公司（下稱中材科技）副總裁兼北京玻鋼院復合材料有限公司董事長、中材科技風電葉片股份有限公司董事長。2011年至2013年5月，擔任中材科技副董事長，2013年5月至今擔任中材科技董事長。

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        薛忠民曾擔任國家十五“863”計劃第一屆新材料領域結構材料主題專家組成員、 “863”國防先進材料專家組成員，是復合材料行業(yè)學術帶頭人，享受國務院政府特殊津貼。同時擔任多項學術團體職務：如中國硅酸鹽學會玻璃鋼學會第八屆理事會理事長、全國纖維增強塑料標準化技術委員會主任委員等。
        他先后主持和完成了10余項國家級科技項目和部級科研項目，主持完成了多項新產(chǎn)品研發(fā)，獲授權專利10項。獲國家科技進步二等獎1項、建材科學技術進步一等獎3項，建材行業(yè)技術革新一等獎1項；因業(yè)績突出相繼被授予協(xié)作配套先進個人、“九五”科技攻關先進個人、中央國家機關優(yōu)秀青年、新世紀百千萬人才工程國家級人選等榮譽稱號。2011年當選中國科協(xié)第八屆代表大會代表。2012年榮獲第五屆全國科技優(yōu)秀工作者稱號。

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        薛忠民堅持以科技為先導，依托國家“863”計劃、國家科技支撐、國家發(fā)改委專項等十余項國家級科研項目所取得科研成果，成功實現(xiàn)了復合材料技術在風電葉片和高端汽車用復合材料等領域的產(chǎn)業(yè)化。
2004年起，薛忠民作為負責人帶領大型復合材料風電葉片研發(fā)團隊歷時數(shù)年，解決了大型葉片關鍵原材料國產(chǎn)化技術、大型復合材料模具設計制造技術、真空輔助樹脂灌注成型技術等一系列關鍵技術，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權、當時國內(nèi)尺寸最大的1.5MW/40.2m的風電葉片，并于2006年實現(xiàn)裝機試驗成功。2007年成立中材科技風電葉片股份有限公司，目前已經(jīng)在國內(nèi)六省市建成7個產(chǎn)業(yè)化基地，成立至今實現(xiàn)銷售收入50多億元。 本文來自123
        2009年，薛忠民主持科技部國際科技合作項目 “高性能復合材料快速架設橋梁關鍵技術聯(lián)合研發(fā)”，該項目攻克了全復合材料桁架橋設計、制備和連接等系列關鍵技術，成功研制了國內(nèi)首座全復合材料桁架橋，并作為第一座茅以升公益橋于2012年6月落戶重慶，充分發(fā)揮了復合材料橋梁在山區(qū)快速架設優(yōu)勢，為西部偏遠貧困地區(qū)的少年兒童架設安全求學之橋。作為未來橋梁技術發(fā)展的方向之一，成果也成為這項新技術的科技示范，將為復合材料在橋梁上的推廣應用起到積極的促進作用。
        研究團隊介紹：

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        項目研究團隊由來自2家行業(yè)領軍的國家科研院所改制企業(yè)、2所頂尖大學和2家具有創(chuàng)新意識的民營企業(yè)的科研人員構成，來自土木工程、復合材料、裝備制造多個行業(yè)。
        從1996年開始組建，由中冶建筑研究總院有限公司的岳清瑞教授發(fā)起了碳纖維布加固混凝土結構的研究，并與清華大學、東南大學等開展合作，將企業(yè)的應用優(yōu)勢和高校研究優(yōu)勢進行結合，取得了一系列豐富的研究和應用成果，在上世紀末就初步奠定了我國的土木工程用FRP的研究和應用基礎。

        但在初期，所采用的FRP材料基本都是進口，形式也較為單一，極大地制約了我國FRP工程應用的發(fā)展。面對這樣的情況，從2000年前后，邀請了北京玻璃鋼研究院（中材科技股份有限公司前身）以及南京海拓復合材料有限責任公司等復合材料制造企業(yè)加入團隊，共同針對土木工程應用進行國產(chǎn)FRP產(chǎn)品開發(fā)，相繼研發(fā)出多種樹脂材料、纖維片材等加固材料。
        與此同時，項目團隊積極開展研究，努力拓展FRP的土木工程應用形式，引領性地研發(fā)出了筋、索、型材、橋面板等FRP的土木工程應用，還針對性能表征評價方法、結構安全裕度控制理論等難題進行攻堅，建立了FRP工程應用理論基礎；還編寫了一系列規(guī)范標準引領行業(yè)的發(fā)展。僅用了不到10年的時間，就使FRP在土木工程中成為一種廣泛應用的主流加固用材料和具有廣泛應用前景的新型材料。 內(nèi)容來自123456

        隨著應用量的增大和應用形式的增多，對FRP材料制造的需求也越來越多，土木工程用FRP產(chǎn)業(yè)化成為行業(yè)發(fā)展的趨勢，項目團隊又吸引了南京諾爾泰復合材料設備制造有限公司這樣的具有創(chuàng)新能力的企業(yè)加入，攻克了一系列土木工程用FRP低成本化和高性能化的關鍵技術，不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品和裝備的國產(chǎn)化，還開始出口國外。經(jīng)過近8年的努力，項目團隊的研發(fā)支撐了我國的土木工程用FRP材料、裝備、產(chǎn)品、評價、應用等各個環(huán)節(jié)，使土木工程FRP形成了一個新產(chǎn)業(yè)鏈。

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        研發(fā)期間，項目團隊一直銳意進取，進行了多項創(chuàng)新性工程示范，包括：國內(nèi)首個碳纖維復合材料加固工程、首個碳纖維拉索斜拉橋、首個碳纖維索懸掛建筑、首座拼裝式復合材料桁架橋、首座萬米級全復合材料工業(yè)防腐平臺等，不斷突破高性能纖維復合材料在土木工程中應用瓶頸。  內(nèi)容來自123456

        項目團隊歷時17年，完成了15項國家科研項目，攻克了10項關鍵技術，研制了5大類產(chǎn)品和3大系列專用裝備，創(chuàng)立了標準規(guī)范體系，形成了4大類既有結構加固和5種新型結構應用技術，完成了3000余項工程示范應用，取得了一系列國際領先的創(chuàng)新性成果，引領了并實現(xiàn)了我國土木工程應用新材料技術和高性能纖維復合材料產(chǎn)業(yè)化應用的跨越式發(fā)展。

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