土木工程采用高性能纖維復(fù)合材料的工藝

獲獎項(xiàng)目：土木工程用高性能纖維復(fù)合材料制備及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

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(tuán)有限公司
獲獎等級：國家科技進(jìn)步獎二等獎 copyright 123456

　　項(xiàng)目簡介： 123456

　　高性能纖維復(fù)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(jié)構(gòu)材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提高土木工程結(jié)構(gòu)的性能、延長其使用壽命，對我國城鎮(zhèn)化發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)、海洋開發(fā)等具有重大意義。
        項(xiàng)目實(shí)施前，土木工程FRP的關(guān)鍵技術(shù)與裝備被美、日等發(fā)達(dá)國家壟斷，產(chǎn)品完全依賴進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目組歷經(jīng)十多年的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，圍繞FRP制品、生產(chǎn)裝備、工程性能表征評價、應(yīng)用技術(shù)等四大需求，攻克了十項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，形成了國際上最完整的土木工程用FRP技術(shù)體系，實(shí)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(guān)鍵核心技術(shù)，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(biāo)達(dá)到或超過歐美日同類產(chǎn)品水平。其中，CFRP索的拉伸強(qiáng)度達(dá)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(jī)構(gòu)耦合和纖維張力精細(xì)控制的技術(shù)難題，研制了3大系列數(shù)字化成套裝備。其中，設(shè)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(jié)強(qiáng)度評價界面性能等檢測方法，建立了基于強(qiáng)度和應(yīng)變雙準(zhǔn)則的材料設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用理論，首次提出了土木工程FRP設(shè)計(jì)取值方法，構(gòu)建了設(shè)計(jì)、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(yīng)用技術(shù)的重大需求，在FRP結(jié)構(gòu)安全裕度控制理論上取得重大突破，開發(fā)了4類既有結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)和5種FRP新型結(jié)構(gòu)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(xiàng)應(yīng)用示范工程。

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        共獲得授權(quán)發(fā)明專利8件、實(shí)用新型專利27件，主編國家標(biāo)準(zhǔn)4部、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)、一等獎2項(xiàng)。研發(fā)出5大類FRP產(chǎn)品，替代進(jìn)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(xiàng)重要建筑、橋梁、隧道、港口碼頭、市政工程及搶險救災(zāi)中應(yīng)用，取得可統(tǒng)計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)效益18.4億元，間接經(jīng)濟(jì)效益約40億元，未統(tǒng)計(jì)到的經(jīng)濟(jì)效益更加巨大。成果帶動并形成了FRP應(yīng)用的新市場和新產(chǎn)業(yè)鏈，使我國成為國際土木工程應(yīng)用FRP發(fā)展最快、數(shù)量最多、范圍最廣的國家，實(shí)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(fù)合材料（CFRP）在土木工程中應(yīng)用技術(shù)研究與推廣工作，開辟了我國高性能纖維復(fù)合材料（FRP）在土木工程應(yīng)用新的技術(shù)領(lǐng)域與方向，是我國該技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)先是扎扎實(shí)實(shí)搞碳纖維的技術(shù)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(lǐng)域的應(yīng)用。率先研發(fā)并建立了CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)體系，組建了國內(nèi)首個土木工程FRP學(xué)術(shù)組織，主編了我國首部FRP應(yīng)用國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了我國土木工程FRP應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,共主編完成國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系，并納入標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工程，為CFRP加固設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。開展了不同類型構(gòu)件在多因素、多工況下靜動力及疲勞等方面的試驗(yàn)研究，提出了基于強(qiáng)度和應(yīng)變雙準(zhǔn)則的CFRP材料設(shè)計(jì)和加固設(shè)計(jì)理論，提出了CFRP加固混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收體系，包括CFRP加固混凝土基本受力構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土受彎構(gòu)件、CFRP提升鋼梁疲勞性能的加固設(shè)計(jì)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(yīng)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(biāo)及FRP界面粘結(jié)性能檢測評價標(biāo)準(zhǔn)；建立了考慮分項(xiàng)系數(shù)、環(huán)境影響系數(shù)和保證率的材料設(shè)計(jì)指標(biāo)體系，提出了加固用FRP材料及制品的強(qiáng)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(yù)測FRP耐久性能的基準(zhǔn)映射方法和多因素耦合方法，為我國土木工程FRP應(yīng)用奠定了材料基礎(chǔ)。 123456

        2000年發(fā)起并組織召開首屆全國土木工程FRP應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會，牽頭組建了我國第一個土木工程用FRP學(xué)術(shù)組織：中國土木工程學(xué)會混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土分會FRP及工程應(yīng)用專業(yè)委員會；1998年發(fā)表的“碳纖維材料(CFRP)加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)”是國內(nèi)該領(lǐng)域最早的論文,發(fā)表論文被CNKI他引達(dá)2046次，單篇最高被他引達(dá)325次。
        從1998年完成國內(nèi)第一個CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)工程以來，主持完成工程應(yīng)用實(shí)例近200項(xiàng)，通過工程應(yīng)用示范，推動了國內(nèi)土木工程用FRP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，帶動并形成了FRP新的應(yīng)用領(lǐng)域，使我國成為國際應(yīng)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(fù)合材料在土木工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與工程實(shí)踐，從1996年開始一直始終不渝地堅(jiān)持對這一新型土木工程領(lǐng)域開展深入而廣泛的研究。從材料性能的測試方法與標(biāo)準(zhǔn)研究，理論分析研究，試驗(yàn)研究，工程設(shè)計(jì)，試點(diǎn)工程的開拓實(shí)踐和現(xiàn)場測試，施工工法的實(shí)踐摸索與建立，行業(yè)規(guī)范和國家規(guī)范的編制，以及堅(jiān)持聯(lián)合并指導(dǎo)材料研發(fā)和裝備研發(fā)單位開展碳纖維復(fù)合材料片材、筋材和型材的研發(fā)，進(jìn)行了長期艱苦的，不需報酬的方方面面的研究與實(shí)踐工作。 copyright 123456
        開展了成千上百次的試驗(yàn)研究，度過了不知多少個不眠之夜，其中，每項(xiàng)材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)為保證工程的長期性能，通常都必須進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究，每次疲勞試驗(yàn)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(yàn)室，結(jié)構(gòu)在做試驗(yàn)的同時，人也在經(jīng)受著試驗(yàn)。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(dāng)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(jìn)行了上百次的探索，最終研究掌握了成套測試技術(shù)。高強(qiáng)度的碳纖維筋材的錨固技術(shù)是這一技術(shù)領(lǐng)域的很難攻克的難題，通過反反復(fù)復(fù)10多年的試驗(yàn)，終于成功研發(fā)出粘結(jié)型和夾持型兩大類錨固技術(shù)，形成了10項(xiàng)專利技術(shù)，掌握了核心技術(shù)，今年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出2900MPa的碳纖維絞線及其高效錨固系統(tǒng)，技術(shù)水平已達(dá)到國際領(lǐng)先。率先系統(tǒng)開展了芳綸纖維預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)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(gòu)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(yàn)。

        在呂志濤院士的指導(dǎo)下，除了學(xué)術(shù)研究外，積極大膽開展典型工程的應(yīng)用實(shí)踐，負(fù)責(zé)完成了幾百項(xiàng)具有開創(chuàng)性的實(shí)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(shí)際工程，研究出相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)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(lǐng)域中開發(fā)出高性能纖維筋聲屏障結(jié)構(gòu)板，在較短的工期范圍內(nèi)，完成了這種新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、現(xiàn)場測試和構(gòu)件制作與安裝；率先在人防應(yīng)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(yīng)用，研究成果得到廣泛應(yīng)用，為解決我國人均人防面積少的問題提供了有力的技術(shù)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(shí)踐工作，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，建立了成套的施工工藝。研究成果為國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)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(fù)合材料相關(guān)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(shè)計(jì)院科技處處長、副院長、院長。2005年2011年，擔(dān)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(fù)合材料有限公司董事長、中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司董事長。2011年至2013年5月，擔(dān)任中材科技副董事長，2013年5月至今擔(dān)任中材科技董事長。

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        薛忠民曾擔(dān)任國家十五“863”計(jì)劃第一屆新材料領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料主題專家組成員、 “863”國防先進(jìn)材料專家組成員，是復(fù)合材料行業(yè)學(xué)術(shù)帶頭人，享受國務(wù)院政府特殊津貼。同時擔(dān)任多項(xiàng)學(xué)術(shù)團(tuán)體職務(wù)：如中國硅酸鹽學(xué)會玻璃鋼學(xué)會第八屆理事會理事長、全國纖維增強(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會主任委員等。
        他先后主持和完成了10余項(xiàng)國家級科技項(xiàng)目和部級科研項(xiàng)目，主持完成了多項(xiàng)新產(chǎn)品研發(fā)，獲授權(quán)專利10項(xiàng)。獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)、建材科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎3項(xiàng)，建材行業(yè)技術(shù)革新一等獎1項(xiàng)；因業(yè)績突出相繼被授予協(xié)作配套先進(jìn)個人、“九五”科技攻關(guān)先進(jìn)個人、中央國家機(jī)關(guān)優(yōu)秀青年、新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選等榮譽(yù)稱號。2011年當(dāng)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(jiān)持以科技為先導(dǎo)，依托國家“863”計(jì)劃、國家科技支撐、國家發(fā)改委專項(xiàng)等十余項(xiàng)國家級科研項(xiàng)目所取得科研成果，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料技術(shù)在風(fēng)電葉片和高端汽車用復(fù)合材料等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化。
2004年起，薛忠民作為負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷時數(shù)年，解決了大型葉片關(guān)鍵原材料國產(chǎn)化技術(shù)、大型復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、當(dāng)時國內(nèi)尺寸最大的1.5MW/40.2m的風(fēng)電葉片，并于2006年實(shí)現(xiàn)裝機(jī)試驗(yàn)成功。2007年成立中材科技風(fēng)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(shí)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(xiàng)目 “高性能復(fù)合材料快速架設(shè)橋梁關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合研發(fā)”，該項(xiàng)目攻克了全復(fù)合材料桁架橋設(shè)計(jì)、制備和連接等系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了國內(nèi)首座全復(fù)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(fù)合材料橋梁在山區(qū)快速架設(shè)優(yōu)勢，為西部偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的少年兒童架設(shè)安全求學(xué)之橋。作為未來橋梁技術(shù)發(fā)展的方向之一，成果也成為這項(xiàng)新技術(shù)的科技示范，將為復(fù)合材料在橋梁上的推廣應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。
        研究團(tuán)隊(duì)介紹：

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        項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)由來自2家行業(yè)領(lǐng)軍的國家科研院所改制企業(yè)、2所頂尖大學(xué)和2家具有創(chuàng)新意識的民營企業(yè)的科研人員構(gòu)成，來自土木工程、復(fù)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(jié)構(gòu)的研究，并與清華大學(xué)、東南大學(xué)等開展合作，將企業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢和高校研究優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)合，取得了一系列豐富的研究和應(yīng)用成果，在上世紀(jì)末就初步奠定了我國的土木工程用FRP的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)。

        但在初期，所采用的FRP材料基本都是進(jìn)口，形式也較為單一，極大地制約了我國FRP工程應(yīng)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(fù)合材料有限責(zé)任公司等復(fù)合材料制造企業(yè)加入團(tuán)隊(duì)，共同針對土木工程應(yīng)用進(jìn)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極開展研究，努力拓展FRP的土木工程應(yīng)用形式，引領(lǐng)性地研發(fā)出了筋、索、型材、橋面板等FRP的土木工程應(yīng)用，還針對性能表征評價方法、結(jié)構(gòu)安全裕度控制理論等難題進(jìn)行攻堅(jiān)，建立了FRP工程應(yīng)用理論基礎(chǔ)；還編寫了一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)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(yīng)用的主流加固用材料和具有廣泛應(yīng)用前景的新型材料。 內(nèi)容來自123456

        隨著應(yīng)用量的增大和應(yīng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)又吸引了南京諾爾泰復(fù)合材料設(shè)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(guān)鍵技術(shù)，不僅實(shí)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)一直銳意進(jìn)取，進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新性工程示范，包括：國內(nèi)首個碳纖維復(fù)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(fù)合材料桁架橋、首座萬米級全復(fù)合材料工業(yè)防腐平臺等，不斷突破高性能纖維復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用瓶頸。  內(nèi)容來自123456

        項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷時17年，完成了15項(xiàng)國家科研項(xiàng)目，攻克了10項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了5大類產(chǎn)品和3大系列專用裝備，創(chuàng)立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，形成了4大類既有結(jié)構(gòu)加固和5種新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)，完成了3000余項(xiàng)工程示范應(yīng)用，取得了一系列國際領(lǐng)先的創(chuàng)新性成果，引領(lǐng)了并實(shí)現(xiàn)了我國土木工程應(yīng)用新材料技術(shù)和高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的跨越式發(fā)展。

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