土木建筑工程中纖維復(fù)合材料應(yīng)用概述

侯劍飛

(北京華宏工程咨詢有限公司，北京100000)

建筑工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一.社會(huì)的進(jìn)步已成為推動(dòng)建筑工業(yè)改革發(fā)展的動(dòng)力.建筑工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向之一便是可持續(xù).因此，改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料就是建筑工業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要發(fā)展方向.

隨著軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來(lái)的纖維復(fù)合材料，由于具有良好而獨(dú)特的性能，適應(yīng)了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高聳、重載、高強(qiáng)和輕質(zhì)方向的發(fā)展，在土木建筑工程中的應(yīng)用日益擴(kuò)大.纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩類:一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如梁、柱、骨架結(jié)構(gòu)等;另一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場(chǎng)和車站的屋頂、野營(yíng)帳篷等膜構(gòu)件材料.纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)建筑材料應(yīng)用于土木建筑工程，為土木建筑業(yè)解決一些技術(shù)難題如能耗大、不利于環(huán)境保護(hù)等提供了新的途徑.

1 土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

土木建筑工程中纖維復(fù)合材料有如下幾方面特點(diǎn).

(1)材料性能的可設(shè)計(jì)性:纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時(shí)，由于其是基體材料和增強(qiáng)材料等組分材料的組合，既可保持原組分材料的某些特點(diǎn)，又能發(fā)揮組合后的新特性，且可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足單一材料無(wú)法達(dá)到的性能要求.

(2)高的比強(qiáng)度和比剛度:一些纖維復(fù)合材料，如碳纖維T300/環(huán)氧樹(shù)脂5208的比強(qiáng)度是鋁材的6.3倍、鋼材的5倍，比剛度為鋁材的4.16倍，因此纖維復(fù)合材料是一類輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料.

(3)抗疲勞性能好:一般金屬的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的40% ～50%，而某些纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70% ～80% ，具有良好的抗疲勞性能.

(4)良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性:傳統(tǒng)建筑材料如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使土木工程不能發(fā)揮應(yīng)有的作用而引起巨大的損失.而大部分纖維復(fù)合材料是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制作的設(shè)備或構(gòu)件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力.

(5)良好的抗震性能:纖維復(fù)合材料相對(duì)傳統(tǒng)建筑材料自振頻率甚高，不易出現(xiàn)共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象;同時(shí)因?yàn)槠浯嬖诖罅康慕缑?，振?dòng)阻尼性也很大，一旦激起振動(dòng)，衰減也快.

(6)過(guò)載安全性好:在纖維復(fù)合材料中，由于有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)過(guò)載時(shí)復(fù)合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會(huì)迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構(gòu)件在瞬間喪失承載能力而斷裂.

(7)高美學(xué)欣賞性:纖維復(fù)合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹(shù)脂是可以流動(dòng)的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)型式和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一.

(8)結(jié)構(gòu)功能/智能化:在土木建筑工程中應(yīng)用智能纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)具有一定的智能功能.例如美國(guó)人在建筑物中使用智能復(fù)合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動(dòng)改變梁固有剛性和固有振動(dòng)頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長(zhǎng)，達(dá)到了建筑物結(jié)構(gòu)噪聲與振動(dòng)的主動(dòng)控制.

2 纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 纖維材料增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用

在建筑業(yè)中，混凝土是一種不可或缺的材料，它的用量也較大，一般多以鋼筋來(lái)增強(qiáng)，但由于鋼筋本身易受酸堿作用產(chǎn)生腐蝕，從而對(duì)混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的混凝土產(chǎn)品.纖維混凝土是在對(duì)混凝土的創(chuàng)新過(guò)程中應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)品，最早使用的多為鋼纖維、玻璃纖維和維綸增強(qiáng)混凝土.目前使用的較為新型的有碳纖維、芳綸和丙綸混凝土.在纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維用來(lái)充當(dāng)增強(qiáng)材料，纖維的本身性能如強(qiáng)度、模量、斷裂長(zhǎng)度等和纖維在此中的空間結(jié)構(gòu)、體積含量等都決定著混凝土的性能.鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應(yīng)用有限;玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高于鋼筋，其重量只有鋼筋的四分之一，受水泥和海水的侵蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼筋，但玻璃纖維易折斷，不耐堿，應(yīng)用有污染;丙綸加工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，丙綸增強(qiáng)混凝土很好地解決了建筑生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，避免和減少了鋼材銹蝕事故的發(fā)生，近年來(lái)得到推廣應(yīng)用.碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高硬度的多種特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，導(dǎo)電導(dǎo)磁，能耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結(jié)良好，但碳纖維因?yàn)閷?dǎo)電導(dǎo)磁有些建筑不能應(yīng)用，且碳纖維成本較高;芳綸輕質(zhì)高強(qiáng)，柔韌性好，力學(xué)性能介于碳纖維和玻璃纖維之間，而且是電場(chǎng)、磁場(chǎng)的絕緣體，不會(huì)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，但芳綸價(jià)格也高.新型纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用逐漸增多.

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，混凝土材料不僅要承受荷載，還要適應(yīng)多功能和智能建筑的需求.纖維復(fù)合材料應(yīng)用于功能/智能混凝土主要有:屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料、水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料、應(yīng)變自感應(yīng)混凝土、溫差水泥基復(fù)合材料、自修復(fù)混凝土、導(dǎo)電水泥混凝土等.

2.2 纖維復(fù)合材料的涂層織物在建筑材料方面的應(yīng)用

涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得的復(fù)合材料.作為底布的織物起著骨架的作用，承擔(dān)著復(fù)合材料的抗張強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力、尺寸穩(wěn)定性等方面的功能;涂層劑則承擔(dān)著保護(hù)底布組織以及表面特性(如防水、耐蝕)的職能.基布是涂層織物的骨架，它的性能影響著最終產(chǎn)品的性能.基布最初多用棉織物，但由于棉織物易霉、怕腐蝕，布身重，使用壽命短，故隨著化纖業(yè)的發(fā)展逐漸棄用，開(kāi)始大量采用維綸、滌綸、錦綸等，芳綸、玻璃纖維制作基布效果也較為理想，但因成本高不宜于大量使用.在制成織物上，實(shí)際應(yīng)用中仍以機(jī)織物為多.這是由于機(jī)織物的拉伸強(qiáng)度和模量比較高，斷裂伸長(zhǎng)小，具有較好的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，且織物受外力后抗變形能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)孔徑均勻，孔隙尺寸易控制.涂層劑的選擇品種很多，它賦予涂層織物以不同的性能，比如有機(jī)硅可使涂層織物具有透濕性，同時(shí)又具有防水性;聚丙烯酸酯涂層劑則有良好的耐光熱性.所以應(yīng)根據(jù)涂層織物的應(yīng)用場(chǎng)合不同，選擇涂層劑.涂層織物在建筑中主要用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂?shù)?

2.3 纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料上的應(yīng)用

纖維復(fù)合材料應(yīng)用于土木建筑工程中的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料主要采用纖維片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)形式.所謂連續(xù)纖維片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)是指在現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)物的表面用樹(shù)脂粘合劑粘貼定向排列的連續(xù)纖維片材，通過(guò)其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的一種結(jié)構(gòu)外部加固技術(shù).傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料是鋼板，它自重大、施工不便且耐腐蝕性差、易老化.現(xiàn)在土木建筑工程中結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料通常使用的纖維是碳纖維和芳綸.碳纖維適合鋼筋混疑土建筑物結(jié)構(gòu)變更、使用荷重增加、強(qiáng)度不足、抑制裂縫延長(zhǎng)等的加固維修工程;芳綸柔韌性好，更適合纏繞修補(bǔ)、增強(qiáng)柱狀結(jié)構(gòu)等.連續(xù)纖維片材結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料與傳統(tǒng)的粘鋼板技術(shù)相比，其加固技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)為:

(1)高強(qiáng)高效:由于纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，可在對(duì)原結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響的情況下大大提高被加固構(gòu)件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震性能;

(2)施工方便、質(zhì)量和工效高:纖維質(zhì)輕性柔，可手工纏繞在混凝土表面而無(wú)須使用大型機(jī)具，也不需要焊接，無(wú)濕作業(yè)，噪聲及灰塵極小;

(3)防護(hù)、維護(hù)性能好:由于纖維復(fù)合材料往往具有很好的耐腐蝕及耐久性能，可抵抗各種酸、堿、鹽對(duì)結(jié)構(gòu)物的腐蝕.用該加固技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)處理后，不僅不需要定期維護(hù)，而且對(duì)內(nèi)部混凝土起到了保護(hù)作用;

(4)適用面廣:由于復(fù)合材料片材較柔軟，可用于各種結(jié)構(gòu)形狀和各種結(jié)構(gòu)類型建筑物的修補(bǔ)，達(dá)到不改變結(jié)構(gòu)形式又不影響結(jié)構(gòu)外觀的效果;

(5)有利于實(shí)現(xiàn)智能化:如用碳纖維片材作加固材料，可根據(jù)加固修復(fù)部位導(dǎo)電性能的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)該部位的安全檢測(cè)與診斷.瑞士已成功運(yùn)用纖維復(fù)合材料對(duì)損壞的跨長(zhǎng)39m的伊巴赫橋進(jìn)行加固，使其滿足了承載力的要求.日本也廣泛采用了這項(xiàng)技術(shù)對(duì)受損橋梁及建筑進(jìn)行了加固，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益.國(guó)內(nèi)湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋以及南京長(zhǎng)江大橋引橋等，也都采用了環(huán)氧樹(shù)脂粘貼玻璃布形成玻璃鋼的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固.研究表明，用先進(jìn)復(fù)合材料板代替鋼板加固混凝土梁可節(jié)約資金25%.

3 結(jié)束語(yǔ)

建筑材料的發(fā)展在建筑中占有極其重要的地位，隨著紡織工藝技術(shù)的發(fā)展，纖維復(fù)合材料作為一類新興的先進(jìn)材料，在建筑業(yè)中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛.

用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的纖維復(fù)合材料中常見(jiàn)的碳纖維、芳綸和玻璃纖維中，從各方面性能來(lái)看，碳纖維應(yīng)優(yōu)先采用.不論是碳纖維布，或是碳纖維索，在工程中應(yīng)用都是較合適的.而且，現(xiàn)階段碳纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固是最合適的途徑和方式，不僅可用于建筑結(jié)構(gòu)或是橋梁結(jié)構(gòu)的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結(jié)構(gòu)加固.

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