第二章 文獻回顧
第一節 FRP 簡介
纖維強化高分子複合材料(Fiber Reinforced Polymers, FRP)在運用 於土木結構的補強上，已有二十多年的歷史。第一個成功的應用案件 是在德國的 Kattenbusch Bridge (1986-87)，利用玻璃纖維強化高分子複 合材料(GFRP)的薄板來強化該橋樑的承接點。瑞士亦有類似的方法用 在補強因預力鋼鍵(Prestressed Tendon)損壞的 Ibach 橋樑。而美國加州 洛杉磯的 2 號及 5 號公路橋樑的 15 根 RC 柱以 FRP 補強後，歷經 1994 年的北嶺大地震而依舊完好，更是 FRP 適合用於補強之良好實證[2]。
FRP 應用相當廣泛，從日常生活至航太工業皆可見其相關產品，
大致可整理如下：
表 2-1 複合材料之應用範圍
產業別 應用例
航太工業 飛機內裝材、次要結構、主要結構、直昇機螺 旋槳、人造衛星原件、雷達罩、隱形戰機等。
船艇工業 遊艇、帆船、魚船、交通船、貨船、巡邏船、
救生艇、水上摩托車、浮筒、隱形戰艦等。
建築用材 衛浴設備、組合房屋、門窗框、化糞槽、除水 槽、浪板、隔間板、廚房櫃台等。
公共工程
自來水管、井管、導管、電線桿、電纜線、護 欄、隔音牆、坡坎護網、交通標誌、儲油槽、
風力發電葉片等。
機械工程 機械外殼、飛輪、連桿、紡織機械零件、縫紉 機、壓縮機葉片、機械人手臂、模具等。
防蝕用材 防蝕內襯、地下儲油槽、油管、接頭、污水管、
人孔、化學槽、污水處理槽等。
電子資訊 電器外殼、事務儀器外殼、電機零件、絕緣零
件、喇叭音箱、天線、積體電路板等。
交通運輸 汽車外板、傳動軸、引擎罩、汽車保險桿、擾 流板、車燈座、電聯車箱、各種車體等。
運動器材 網球拍、羽毛球拍、釣竿、高爾夫球桿、壘球 棒、滑雪用品、自行車骨架、輪圈、衝浪板等。
其他 安全帽、模特兒、人造骨、生化器材、家具桌 椅、園藝造景等。
（資料來源：參考書目[3]）
FRP 是一種複合材料，是在基材(matrix)中加入高抗張強度的纖 維，藉由基材的物理特性將纖維連結起來。纖維可彌補基材強度不高 的弱點，而基材可將原本呈散狀的纖維集束成型，使其用途更為廣泛。
纖維強化高分子複合材料 (FRP)
界面 基材 纖維
基材改質 纖維表面處理 熱塑性塑膠 環氧樹脂 聚酯樹脂 克維拉纖維 玻璃纖維 碳纖維
圖 2-1 FRP 材料之成分
（資料來源：參考書目[2]）
第二章 文獻回顧
用於鋼混凝土補強的 FRP，主要有三大類[3]：
一、碳纖維(Carbon FRP, CFRP)，工程界簡稱為碳纖。FRP 有二大系列，
即 PAN 系列與 Pitch 系列。PAN 為聚丙烯 Polyacrylnitrile 之簡稱，
Pitch 則通稱之瀝青。目前工程界所使用之 CFRP 絕大多數屬於 PAN 系列。
二、玻璃纖維(Glass FRP, GFRP)，工程界以玻纖簡稱。工業界較常用之 玻纖有 S-Glass 與 E-Glass 兩大類，S-Glass 之強度與造價均比 E-Glass 高，因此，土木與建築工程界以採用 E-Glass 之玻纖為主。
三、克維拉纖維(Kevlar)，是有機纖維 Aramid 之典型代表，簡稱 AFRP。
土木工程界較常用有 Kevlar 29 與 Kevlar 49 兩大類。
圖 2-2 為以上三種 FRP 與鋼的應力—應變性質之比較。其在力學 性質上的差異有[3]：
一、CFRP 之強度最高，AFRP 次之，GFRP 最小。但這三者抗拉強度 皆比鋼材高出許多。
二、FRP 的應力—應變是線性，並不像鋼材有降伏與塑性應變的階段。
三、FRP 之單位重比鋼材低甚多，故相較於傳統之鋼板包覆，以 FRP 補強較具輕巧之優點，施工性較佳。
圖 2-2 CFRP、GFRP、AFRP 與鋼材之比較
（資料來源：參考書目[3]）
表 2-2 典型複合材料、鋼材與鋁之物理特性
抗拉強度 抗拉彈性模數 密度 材料
MPa Kg/cm2
(103) GPa Kg/cm2
(106) g/cm3
鋁 310 304 69~70 68~69 207~208 鋼材 1034 1014 200 196 7.5~7.8
PAN 系 3500~5500 3432~5394 220~290 216~284 1.7~1.8 碳纖
瀝青系 1700~2300 1667~2256 380~700 373~686 1.9~2.1 E-Glass 3450 3383 70~74 69~73 2.4~2.6 玻纖
S-Glass 4500 4413 82~88 80~86 2.4~2.6 Kevlar 29 3792 3719 62 61 1.44 FRP
Aramid
Kevlar 49 3792 3719 131 128 1.47 說明：1.FRP 之力學性質依各廠商而有所差異
2.Kevlar 乃杜邦公司(E. I. Dupont)產品為芳香族聚烯胺有機纖維，與 Kevlar 有關之材料性質可參考杜邦公司出版之“Kevlar, Aramid Fiber-Technical Guide＂。
（資料來源：參考書目[3]）
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表 2-3 FRP 與鋼板包覆補強工法之比較
項目 FRP 補強 鋼板補強
成本 較低 較高
時效 施工便利迅速 材料笨重施工緩慢 施工空間 施工空間無限制 需較大之施工空間 補強物形狀 任何形狀皆可補強 較適用於圓形或橢圓形 抗拉強度比較 可超過 35000kg/cm
2以上 約 2400kg/cm
2補強後狀況 適合各種塗料，且不影響 外觀形狀
補強後之形狀可能稍異
抗酸腐蝕比 抗酸、鹼、腐蝕及不滲透 易腐蝕
外觀瑕疵比 補強品質易檢測 補強品質較難檢測 單位補強面積重量
(m
2)
0.27kg（0.15mm 厚） 23.5kg（3mm 厚）
47kg（6mm 厚）
註：FRP 與鋼板包覆補強各有其適用時機與對象，設計者應有自己之工程判斷。
（資料來源：參考書目[3]）
由於採用 FRP 補強有以上甚多優點，故能成為全球土木工程對於 鋼筋混凝土結構物補強手法的新趨勢。
2.1.1 碳纖維
CFRP 是土木工程使用最多的 FRP 種類，分為二大系列，即 PAN（聚丙烯）系列與 Pitch（瀝青）系列。碳纖維之性能、優點 及缺點略述如下：
一、碳纖維的性能[4]：
（一）物理性能：碳纖維的體積質量大於其他高性能的有機纖 維，但小於無機纖維碳纖維以外的品種，強度大、模量
大是其特點。
（二）化學性能：纖維完全由碳元素組成，不燃燒，化學性能 穩定，不受酸、鹽等溶媒侵蝕。高溫空氣下，對高氧化 性酸抵抗力弱，高溫下形成含碳化物，多孔性，表面活 性化，表面有吸附性能。
（三）熱性能：線膨脹係數小，使得碳纖維處於極低溫領域小 熱傳導率小，而在高溫領域下機械性能變化小。
二、碳纖維的優點[5]：
（一）強度高：碳纖維的抗拉強度約可達鋼的 10 倍，能有效 的提供所需強度。對於潛變和疲勞的抵抗性質碳纖維皆 優於鋼板。
（二）重量輕：碳纖維的重量大約只有鋼的 1/100，不需要大 型工具及作業場所，易於運輸及施工，省時省力。
（三）剪裁及造形容易：碳纖維可適用於各種尺寸形狀之修補 需要。鋼板貼片則限於直線狀或曲度較小的圓形及橢圓 形，和混凝土結合時會有間隙，需再做灌漿填補空隙，
增加成本及施工品質的不確定因素。
（四）連續性佳：碳纖維產品為連續狀，在長尺寸修補下毫無 問題，鋼板則受生產、搬運及重量的限制，往往需要焊 接，亦增加成本及品質控制的問題。
（五）不腐蝕：碳纖維長期不需維修，而鋼板易受環境影響而 有鏽蝕情況產生，需定期維護。
三、碳纖維的缺點[5]：
（一）延展性較差：碳纖維屬於較脆性之材料，延展性不如鋼 板，對補強構件之韌性增加較少。
（二）價格及接受度較差：碳纖維係新發展之材料，價格較高，
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其市場接受度不如鋼板。近年已有成功應用實例，加上 國內研發生產，大大提高價格競爭力。
2.1.2 基材[6]
基材的主要功能之傳遞應力，以及將應力分散至每根纖維，
並使纖維固定其排列方向，且可保護纖維免受摩擦或侵蝕。另一 項功能，基材可以結合纖維，使複合材料受到應力作用時不致破 壞或變形。基材的性質是決定纖維複合材料使用最高溫度、化學 性質、電氣特性之主要因素。
基材大致可分為熱固性樹脂及熱塑性塑膠。最常用的熱固性 樹脂為不飽和聚酯和環氧樹脂。一般使用的熱塑性塑膠則為尼 龍、聚丙烯等。
2.1.3 纖維與基材之界面[6]
纖維與基材之界面材料是決定此複合材料之使用壽命之重要 因素。因為界面處之應力集中，最有可能從此處先行破壞，故該 界面必項能夠具備良好性質，將基材上的作用力傳遞至纖維。利 用偶合劑可改進界面的黏結現象，界面材料必須能抵抗由纖維和 基材因為不同熱膨脹係數所造成之應力，也須能抵抗因樹脂硬化 所造成之現象。界面亦可以避免複合材料受液體滲透，幫助基材 保護纖維。