一、复合材料的发展简史

    本文中复合材料是指纤维增强复合材料（简称FRP），主要包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等，这一类复合材料一般具有耐腐蚀、

耐紫外线、轻质、高强和非磁性等特点。

    材料是人类用来制造有用物件的物质，材料的可用性由形成材料的物质分子的属性所决定。组成高分子材料的是长链分子，是由若干

原子按一定规律重复连接而成的大分子，因此高分子材料又被称为聚合物材料。主要分天然高分子材料、人造高分子材料和合成高分

子材料。1839年，美国Goodyear发明了橡胶硫化技术，开始进入到有目的的改造天然产物而得到的高分子材料。至1953年，德国科学

家Ziglar和后来的意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源，使通用高分子材料进

入千家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。

我国高分子材料的研究和发展起步于50年代初，通过高分子化学、高分子物理、成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门的合作

，开发出一批能体现我国科研和生产水平的高分子材料及生产技术。我国是高分子材料消耗大国，但还不是研发生产强国，不仅产品

竞争力有限，产量也不能满足国内需求。所以，我们需要大力开展高分子材料科学的创新研究，实现科技成果产业化，发挥高分子材

料科学对传统工业的改造、对新兴工业的支撑作用，尽快实现从高分子材料生产和消费大国到强国的转变。

本文介绍的FRP是两种高分子材料—塑料与纤维的复合，是一种高性能非金属加强材料。有玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）、

碳纤维（CFRP）几种，不同的纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而形成纤维加强塑料。一般具有以下的特点：

抗腐蚀能力强；自重小，且具有很高的材料抗拉强度，即质强比高；弹性变形能力和抗疲劳能力强；较高的电绝缘性和较低的磁感应

；

     因为纤维增强树脂复合材料在抗腐蚀性能方面特别强，所以近年来被采用作为金属防腐防护的工程材料。其中玻璃纤维与不饱和聚酯

树脂而复合形成的产品缩称为GCM，本文将重点介绍GCM钢结构防腐防护工程系统。

    二、GCM钢结构防腐防护原理

GCM钢结构防腐防护基本原理是在金属表面形成三层结构：第一层为隔离层、第二层为加强层、第三层为耐候层。

第一层：隔高层，亦称密闭层。隔离层用高分子材料不饱和聚酯树脂加入引发剂喷射在金属表面，与金属表面咬合，引发剂分解产生

自由基，引发不饱和聚酯树脂线型分子链中不饱和双键与交联剂苯乙烯发生自由基连锁反应而形成网状体型大分子，在金属表面形成

隔离膜—由于液态树脂中作为溶剂的苯乙烯在固化成膜时作为交联剂参与反应，不存在溶剂挥发现象，形成隔离膜，该隔离膜可认为

是一个具有如下结构单元的巨型分子。

    该隔离膜具有致密性、隔离性的特征。分子链中侧基-OH基是具有强极性的官能团，与金属材料极性界面之间具有较强亲和力，加之

钢结构表成较为粗糙，使亲和力界面面积大为增加，从而实现隔离层与被保护表面间的粘附效果。能有效地将空气中的氧、水及腐蚀

性气体等介质与金属表面隔离开来，使金属表成免遭介质侵蚀。

第二层：强度层是一种高强度纤维—玻璃纤维增强的热固性高分子材料，其基体材料与第一层使用相同的在不饱和聚脂树脂中加入引

发剂材料。强度层的比强度较优质的钢材高，拉伸强度可达180Mpa以上，弯曲强度可达200Mpa，强度层与隔离层和耐候层之间拉伸强

度可达60Mpa以上；强度层的连续搭接被覆使整个防护工件表面形成一个整体的具有高强度严密包裹隔离层的体系，切实有效地保护

住对金属表面起防护作用的隔离层不受外力的直接损害。

      第三层：耐候层所用材料是一种与隔离层和强度层基体材料同一系列的热固性高分子材料，其固化机理相同，但由于分子结构中引入

了较多的侧烷基和大空间位阻的芳基等基团保护了分子链中易受酸、水、盐等介质侵蚀的如COO-、C-O等基团而具备较强的耐酸、耐

水、耐盐性能。同时，耐候层材料中加入紫外线吸收剂、防老剂、分解剂等各种功能添加剂。

由于GCM防腐防护技术三层（隔离层、强度层和耐候层）连为一体的高分子材料固化后是一种网状体型结构分子，在低温到-50℃下分

子链中的C-C、C-O、C=O键也不至于断裂，同时，由于热固性高分子材料，在100℃的高温下也不会变软，加之三层具有与碳钢相近的

线膨胀系数（1.5×10-5/℃），温度变化时，与钢材一起热胀冷缩而不致剥离。所以该技术能适应自然界温度变化而起到对钢材表面

有效的防护作用。

该技术的优点在于：

1、施工方面，无需高压喷砂、除锈、造毛等工序。

2、采用专用喷涂机喷涂施工，施工效率高，隔离层与钢材间界面粘着紧密，固化成型速度快，一般每层固化时间在40—60分钟，对

施工环境无明显要求。

3、对酸雨、湿热、盐雾介质的腐蚀具有很强的抗御作用。

4、三层防护层有强度，对钢结构的安全性有一定的补偿作用。

5、具有优异的电绝缘功能，可满足钢结构表面架设电源而不导电，方便桥梁、建筑物上架设照明设备。

6、可以在耐候层根据建设方的要求方便的调整颜色。

    三、复合材料的国内技术状况

    FRP作为防腐防护工程材料，主要是发挥其耐酸碱介质腐蚀、耐紫外线、乃臭氧这方面的特性。目前，金属材料表面防腐防护是我国

重点发展的技术工程，据国内行业专家预测，未来我国的大型结构件防腐工程中，新型复合材料型产品将替代现在的油漆涂覆和锌、

铝、镁铝或锌铝合金热喷涂等通用技术而成为主流产品。

GCM钢结构防腐防护系统的主要技术特点有：

  1、金属表面防腐防护采用高分子聚酯树脂材料基体，形成具有独特隔离保护作用，耐酸雨、湿热、酸雾介质的腐蚀极强，很好地解

决了目前技术材料表面油漆涂覆存在的易脱落和溶剂挥发后造成的孔隙性介质侵入，以及喷锌、喷铝、喷锌铝合金、铝镁合金不可避

免的电化学腐蚀。

  2、摒弃了传统金属表面的喷砂防锈、造毛预处理，而代之以采用清水冲洗、洗涤液处特别部位的方法，减少了污染，降低了成本。

3、由特种纤维（如玻璃纤维、碳纤维）包被的强度层，保护了隔离层免遭毁损，使防护层具有优越的力学性能。其产品主要力学性

  能指标要求见表1：

表1：产品主要力学性能指标

项  目
 指  标
 
抗拉强度(Mpa)
 ≥180
 
弯曲强度(Mpa)
 ≥200
 
冲击韧性(KJ/m2)
 ≥80
 
弯曲弹性棋量(Mpa)
 ≥1.0×104
 
断裂延伸率(%)
 ≥2.5
 

4、独特的耐候层设计：在不饱和聚脂树脂中添加紫外线吸收剂、防老剂、分解剂和引发剂改性后，树脂具有优越的耐候性。

5、采用国外先进的空气助流包容技术和设备，进行防护材料喷涂，工程质量高，物料浪费少，环境污染降低，施工作业更为方便。

GCM钢结构防腐防护系统技术通过在防护材料、工艺设计、施工技术设备的创新，实现了防腐防护工艺技术的革命，其防腐材料的长

效性与国内外同类技术相比处于领先水平。

目前，国内使用防腐材料以及专业从事防腐防护施工单位不下上千家，但使用新型复合材料防腐的不多。复合材料多数用于大型结构

件、混凝土补强等方面。总体来说，国内使用复合材料防腐的技术水平不高，有待提高与推广。