關(guān)于纖維復(fù)合材料在土木建筑工程應(yīng)用

楊文東

【摘要】針對(duì)關(guān)于纖維復(fù)合材料在土木建筑工程應(yīng)用問(wèn)題，文中介紹了纖維復(fù)合材料與橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)容，探討了纖維復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)作用和纖維復(fù)合材料防護(hù)層的作用，指出纖維復(fù)合材料在土木建筑中具有重大的發(fā)展?jié)摿?，可以增?qiáng)土木建筑的強(qiáng)度，在復(fù)古建筑的維修中將起到巨大的作用。

【關(guān)鍵詞】纖維復(fù)合材料 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 應(yīng)用發(fā)展

纖維復(fù)合材料從20世紀(jì)60年代就開始應(yīng)用于建筑業(yè)之中，那時(shí)只用做建筑物的預(yù)制組件、屋頂材料等，如火車站站臺(tái)一類建筑。一般站臺(tái)頂長(zhǎng)50m，寬8～9m，纖維復(fù)合材料非常適合制作輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。1999年在瑞士Basel的一座5層建筑是使用纖維復(fù)合材料構(gòu)件建筑精品。這座建筑的框架、門窗及部分室內(nèi)設(shè)施完全由纖維復(fù)合材料組成。它的成功應(yīng)用實(shí)踐了纖維復(fù)合材料在中型建筑的應(yīng)用。

在近些年來(lái)，纖維復(fù)合材料由于它特有的功能，被引入土木建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，主要應(yīng)用在高速公路、隧道、港口、橋梁、溝槽、護(hù)堤壁、機(jī)場(chǎng)、水壩、水處理設(shè)施及下水道工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)已占纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的30%左右。這主要源于纖維復(fù)合材料的特殊性質(zhì)，它自身結(jié)實(shí)而有剛性，提供了優(yōu)良的比強(qiáng)度及高抗蠕變性，優(yōu)越的抗候性與溫度變化的承受力，抗紫外線、潮濕及大氣污染，高抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)，選擇合適的樹脂還可具有阻燃性，良好的尺寸穩(wěn)定性及耐熱性。用戶可以從很廣的范圍中選擇顏色與外型，具有很大的設(shè)計(jì)多變性。目前土木建筑結(jié)構(gòu)中纖維復(fù)合材料新產(chǎn)品的使用開發(fā)主要有兩大類，其一是用做混凝土鋼筋，尤其是在那些防腐維修費(fèi)用高的工程中；其二是修理或加固目前使用的混凝土結(jié)構(gòu)，如受損的橋面或者提高基礎(chǔ)的強(qiáng)度等，都可以應(yīng)用纖維復(fù)合材料增強(qiáng)。

1纖維復(fù)合材料與橋梁設(shè)計(jì)

在橋梁設(shè)計(jì)中，纖維復(fù)合材料已逐漸被土木工程師應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。步行橋是橋梁使用纖維復(fù)合材料的一個(gè)起點(diǎn)，尤其是由于地理環(huán)境復(fù)雜，大型起重設(shè)備無(wú)法進(jìn)入的地區(qū)或，在這時(shí)纖維復(fù)合材料的使用價(jià)值就明顯體現(xiàn)出來(lái)。利用它輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，橋的主體結(jié)構(gòu)可以在制造廠中預(yù)裝成構(gòu)件，在現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行安裝。許多纖維復(fù)合材料步行橋在世界各地建造起來(lái)。例如，1992年蘇格蘭建成的一座113m長(zhǎng)的斜拉橋，它是當(dāng)時(shí)世界上第一座完全用擠拉復(fù)合材料建成的最長(zhǎng)步行橋。1998年美國(guó)肯塔基州建成130m長(zhǎng)的SandyRiver橋打破了這一紀(jì)錄。而目前世界上最大、最長(zhǎng)的車行纖維復(fù)合材料橋于2000年11月在美國(guó)西弗吉尼亞建成，橋面長(zhǎng)58m，寬17m，使用增強(qiáng)纖維復(fù)合材料制成的梯形/六邊形型材及美國(guó)亞什蘭化學(xué)公司生產(chǎn)的聚氨酯粘合劑膠接制成。美國(guó)圣地亞哥加州大學(xué)為軍隊(duì)設(shè)計(jì)的一座浮橋充分揭示了增強(qiáng)纖維復(fù)合材料在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的潛在用途。這座橋跨距15·3m，以軟木做芯材的碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)僅重5500kg，比鋁質(zhì)的還輕，兩片這樣的橋面可以通過(guò)105t的軍用履帶運(yùn)輸車，而相應(yīng)的鋁橋載重僅70t。該橋橋面及側(cè)壁使用的是JOHNSTON增強(qiáng)復(fù)合材料公司的12K碳纖維束及BALTEK公司生產(chǎn)的軟木夾心芯材。采用SCRIMP工藝，環(huán)氧樹脂以多注口低壓注入到預(yù)成型的纖維布中，輔以真空袋成型，并在170℃固化。通過(guò)測(cè)試，承載了70t重的坦克及100t重的運(yùn)輸車進(jìn)行了5000次的測(cè)試。纖維復(fù)合材料以自身的性能優(yōu)勢(shì)證明了它的應(yīng)用前景。

2纖維復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)作用

建筑界出于環(huán)保及經(jīng)濟(jì)的考慮，很希望在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中使用簡(jiǎn)便而有效的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。對(duì)于城市基礎(chǔ)設(shè)施中最常見(jiàn)的鋼混結(jié)構(gòu)，使用外部粘接鋼板補(bǔ)強(qiáng)的方法已經(jīng)很多年。其不便之處在于鋼板的運(yùn)輸與安裝不便及鋼板的易腐蝕。使用復(fù)合材料就克服了這方面的問(wèn)題。在歐美一些國(guó)家，很多橋梁已使用了50年左右，橋梁結(jié)構(gòu)已有破損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約有100，000座橋梁需要徹底檢修或更新；歐洲科學(xué)家們重點(diǎn)對(duì)早期在鐵路沿線上建成的鑄鐵橋及鋼鉚釘橋進(jìn)行了大量研究后認(rèn)為，這些橋在全歐洲有100，000座，其中三分之一以上需要進(jìn)行升級(jí)或補(bǔ)強(qiáng)以承載新發(fā)展起來(lái)的高速列車。因此，復(fù)合材料將大有用武之地，也為復(fù)合材料進(jìn)一步推廣提供了一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)。

3復(fù)合材料防護(hù)層的作用

另外一種對(duì)建筑物及橋梁的支柱、鐵梁、鋼梁加固的措施是對(duì)其外加保護(hù)層。建筑物支柱的外部增強(qiáng)使用纖維復(fù)合材料意義重大。加固的防護(hù)層能提高柱體的抗剪切及抗壓縮應(yīng)力，提高抗沖擊性。這項(xiàng)應(yīng)用在地震頻發(fā)區(qū)如日本、臺(tái)灣及美國(guó)的許多州已經(jīng)逐步推廣。美國(guó)舊金山、洛杉磯地震及日本阪神地震后，大批的建筑、高架橋、高速公路毀壞，因此這項(xiàng)技術(shù)最早是在美國(guó)及日本發(fā)展起來(lái)。約有150項(xiàng)補(bǔ)強(qiáng)新技術(shù)在日本、加拿大、美國(guó)用于實(shí)際施工中。超過(guò)3000座以上的橋已經(jīng)用包括玻纖、芳綸纖維及碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧或聚酯復(fù)合材料防護(hù)層進(jìn)行了加固，我國(guó)近年地震災(zāi)害較大，也可以利用新興的纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固維修。國(guó)外在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼梁進(jìn)行加固時(shí)，采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸工藝。這種方法可以在狹窄的環(huán)境下使用最簡(jiǎn)單的施工步驟。首先對(duì)鋼梁表面進(jìn)行處理，去除表面腐蝕層，清洗表面，去除油脂并涂硅膠衣以保持干燥；然后用環(huán)氧粘接劑噴涂在清潔而干燥的表面。將碳纖維預(yù)浸料沿著鋼梁的形狀放置好后，對(duì)其加熱升溫，促使樹脂向纖維中滲透并充分固化；在預(yù)浸料固化期間，還要將其置于真空狀態(tài)下強(qiáng)化復(fù)合材料層面，盡可能多地將空氣去除。復(fù)合材料上施加的壓力通過(guò)纏繞在鋼梁上的真空袋獲得，確保材料與鋼梁在外形上保持一致。

4結(jié)語(yǔ)

纖維復(fù)合材料的使用量在不斷增長(zhǎng)，尤其是在復(fù)古維修的建筑中，許多土木工程師都可以利用纖維復(fù)合材料不僅可以使建筑物的外貌煥然一新，而且可以極大的增強(qiáng)其強(qiáng)度。因此，雖然新型的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)初期投入比較昂貴，但它的作用是其它原料不能比擬的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王茜.纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)展[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2012-03-23.

[2]鄧文，崔建偉，張慧萍等.纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008-06-25.