復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

高云風(fēng)

中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司

復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

高云風(fēng)

中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司

從目前土木工程建設(shè)中所使用的復(fù)合材料來(lái)看，F(xiàn)RP作為一種新型的復(fù)合材料，被廣泛的應(yīng)用到工程施工建設(shè)過(guò)程中。FRP復(fù)合材料不僅具有重量輕、成型便捷以及強(qiáng)度高等特征，而且其耐腐蝕性能相對(duì)比較強(qiáng)。與傳統(tǒng)的鋼材與混凝土土木工程建筑施工材料相比，復(fù)合材料材料的出現(xiàn)能夠有力補(bǔ)充其在施工工程中的不足。就目前建筑行業(yè)的發(fā)展形式上看，F(xiàn)RP復(fù)合材料在未來(lái)五十年內(nèi)具有良好的發(fā)展前景。本文將對(duì)復(fù)合材料在土木工程的發(fā)展應(yīng)用做簡(jiǎn)要的分析與闡述，以供參考。

土木工程；復(fù)合材料；發(fā)展與應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)合材料主要指的是在物理技術(shù)及化學(xué)技術(shù)的作用下，將一些具有不同性質(zhì)的材料制作成一種在宏觀(guān)或微觀(guān)領(lǐng)域具有一定新特點(diǎn)的新型工業(yè)材料的過(guò)程。對(duì)不同材料的自身優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮，是這一材料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出的一種主要特點(diǎn)。在20世紀(jì)50年代，針對(duì)當(dāng)時(shí)新中國(guó)所面臨的百?gòu)U待興的局面，在蘇聯(lián)專(zhuān)家的幫助下，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始對(duì)復(fù)合材料問(wèn)題進(jìn)行了探究。在20世紀(jì)80年代，混凝土結(jié)構(gòu)外貼玻璃纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，讓土木工程的防腐功能得到了一定程度的強(qiáng)化。隨著土木工程技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用，對(duì)土木工程中的橋梁工程等問(wèn)題的優(yōu)化，起到了一定的促進(jìn)作用。在對(duì)與復(fù)合材料有關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行探究的過(guò)程中，我們可以對(duì)這一材料在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 復(fù)合材料的發(fā)展歷程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一大批新型材料被開(kāi)發(fā)出來(lái)以適應(yīng)社會(huì)快速發(fā)展的需要，復(fù)合材料(FRP)也順應(yīng)時(shí)代的需求而誕生。FRP的主要組成部分是芳綸、碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等，這些都屬于高性能的纖維和樹(shù)脂，以它們作為基體進(jìn)行混合，然后通過(guò)一定的加工工藝形成一系列具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料。FRP相對(duì)于其他材料具有優(yōu)越的性能：強(qiáng)度高、質(zhì)量小、耐腐蝕性強(qiáng)并且施工方便，在土木工程中獲得越來(lái)越多的關(guān)注，現(xiàn)在經(jīng)常見(jiàn)到FRP與混凝土、鋼筋等材料結(jié)合用于土木工程中，并且土木工程正在不斷研究將FRP應(yīng)用在各類(lèi)結(jié)構(gòu)物中。

20世紀(jì)五六十年代人們就開(kāi)始研究在民用建筑中使用FRP，1961年英國(guó)Smethwick將GFRP應(yīng)用在1座教堂的尖頂，1970年英國(guó)利物浦將GFRP作為連續(xù)梁用在1座人工天橋上。我國(guó)在20世紀(jì)50年代末探索使用玻璃纖維替代鋼筋用在混凝土構(gòu)件中，到20世紀(jì)七八十年代人們開(kāi)始大量研究FRP在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用：1972年云南用GFRP做成了1個(gè)雷達(dá)天線(xiàn)罩；1982年北京密云使用GFRP建造了1座公路橋，承重能力極強(qiáng)。最初FRP在土木工程中用作結(jié)構(gòu)加固，使用FRP加固后的土木工程在地震中表現(xiàn)出良好的性能，從而獲得了人們的一致認(rèn)可，開(kāi)始大規(guī)模的應(yīng)用FRP，到了21世紀(jì)初，F(xiàn)RP已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的土木工程材料，我國(guó)現(xiàn)在每年都會(huì)使用大量的復(fù)合材料。

2 復(fù)合材料在土木工程中的作用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中的多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，汽車(chē)工業(yè)中汽車(chē)車(chē)身的制作工藝離不開(kāi)復(fù)合材料的支持。人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸的復(fù)印機(jī)和打印機(jī)，也對(duì)這一材料進(jìn)行了一定程度的應(yīng)用。在對(duì)這一材料在土木工程施工項(xiàng)目中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行探究之前，我們首先需要對(duì)這一材料在土木工程中所表現(xiàn)出來(lái)的作用進(jìn)行探究。從這一技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)作用，是這一材料在土木工程施工領(lǐng)域所發(fā)揮出來(lái)的主要作用。在筆者看來(lái)，這種結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)作用主要指的是對(duì)土木工程項(xiàng)目自身的受力性能進(jìn)行強(qiáng)化的一種有效方式。2008年四川汶川發(fā)生嚴(yán)重地震災(zāi)害以后，有關(guān)部門(mén)在災(zāi)后重建過(guò)程中就對(duì)這種復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)用，從這一技術(shù)的應(yīng)用效果來(lái)看，它對(duì)地震中受損的建筑物的加固修復(fù)工作起到了一定的促進(jìn)作用。

3 復(fù)合材料在土木工程中的主要應(yīng)用

3.1 工程結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)

針對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用，主要是利用各種方法，使FRP在構(gòu)件表面受力進(jìn)行附著，這樣一來(lái)，原有構(gòu)件才會(huì)有效的增強(qiáng)其受力性能。上世紀(jì)八十年代，在工程實(shí)踐當(dāng)中，利用混凝土結(jié)構(gòu)外貼玻璃纖維，使復(fù)合材料的加固方法得到有效的增強(qiáng)。主要是將防腐作用充分的發(fā)揮出來(lái)，與此同時(shí)，結(jié)合律鋼絲和混凝土，因此這種嘗試并沒(méi)有得到推廣。在九十年代初期，利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，有效的加固了多跨連續(xù)箱形橋梁，并且取得成功，促進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)得到有效的推廣，并且在實(shí)際工作當(dāng)中得到快速的發(fā)展，在實(shí)際工程當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)踐，驗(yàn)證了FRP加固技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中的強(qiáng)大優(yōu)越性。我國(guó)在1988年完成了有關(guān)CFRP的加固工程，為我國(guó)的FRP發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在我國(guó)一些重大的工程當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)RP加固技術(shù)在建筑重建當(dāng)中發(fā)揮著不可代替的作用。當(dāng)前各種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)加固當(dāng)紅成功運(yùn)用了FRP，涉及到的領(lǐng)域不僅包括建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)，水工結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)也被包含在內(nèi)。

3.2 FRP筋索和預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)

土木工程中所采用的FRP材料，其纖維占有比重相對(duì)比較大，筋度重量相對(duì)比較小，并且其強(qiáng)度范圍相對(duì)比較高，相當(dāng)于常規(guī)鋼筋的多倍。FRP纖維材料的耐腐蝕性的特點(diǎn)較為突出，同時(shí)也是能夠有效的替代鋼筋的主要性能之一。在土木工程建設(shè)當(dāng)中，其不僅能夠有效的避免出現(xiàn)由于鋼筋出現(xiàn)銹蝕，破壞工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象發(fā)生，而且還能有效的節(jié)約工程的維修成本，提高工程建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，F(xiàn)RP材料的非磁性特點(diǎn)也較為突出，并且符合相關(guān)工程所要求的無(wú)磁性的標(biāo)準(zhǔn)。FRP索在道路橋梁建設(shè)工程中有著廣泛的應(yīng)用，其能夠有效的發(fā)揮纜繩的作用，可以作為預(yù)應(yīng)力筋來(lái)使用。在上個(gè)世紀(jì)六十年代，配筋的方式廣泛的應(yīng)用到道路橋梁建設(shè)混凝土建設(shè)當(dāng)中，其主要目的是利用GFRP的基本性能，有效的避免有些特殊地區(qū)受到不利因素的影響，比如說(shuō)沿海以及部分寒冷地區(qū)出現(xiàn)的鹽蝕現(xiàn)象。由于GFRP在價(jià)格上相對(duì)不是很高，耐久性相對(duì)比較強(qiáng)，并且工程施工上相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在工程建設(shè)中使用的相對(duì)比較廣泛。近幾年，在國(guó)內(nèi)工程建設(shè)中，使用的較為廣泛的是配套錨夾具、索產(chǎn)品以及FRP筋等工程施工材料。通過(guò)對(duì)FRP筋混凝土的研究中不難發(fā)現(xiàn)，其主要包含以下兩方面的內(nèi)容：第一方面是筋與工程混凝土之間的粘結(jié)問(wèn)題，如果粘結(jié)達(dá)不到理想中的效果，并且采用不佳的處理方式，其粘結(jié)效果發(fā)揮不到應(yīng)有的作用；另一方面利用FRP筋混凝土在力學(xué)方面的主要性能，這主要是由于FRP筋所具有的彈脆性的特點(diǎn)，這與傳統(tǒng)的混凝土承受力存在方式有所不同，由于其立足點(diǎn)不同，在土木工程建設(shè)工程一定要視情況而定。

3.3 FRP和傳統(tǒng)材料結(jié)合

不同種類(lèi)FRP之間或者FRP和鋼筋、混凝土之間可以進(jìn)行混合使用，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，增加性能，形成新的結(jié)構(gòu)體系就是FRP組合結(jié)構(gòu)。主要有以下幾種。1)在FRP管中加入混凝土形成FRP-混凝土組合構(gòu)件，混凝土受到FRP管的約束，F(xiàn)RP管還兼具模版的作用加快施工進(jìn)度，且具有很強(qiáng)的持久性能。2)將FRP包裹在空心鋼管外，再用混凝土填充鋼管和FRP，F(xiàn)RP用作模版，鋼管用來(lái)承重，F(xiàn)RP和混凝土保護(hù)鋼管，混凝土受到約束作用，承載能力大大提高。3)在工程構(gòu)件下部使用FRP，上部使用混凝土，形成FRP-混凝土組合梁，可以更加充分地利用FRP，但是其中保證FRP和混凝土之間連接部分是關(guān)鍵部分。4)在鋁合金管的外表面包覆FRP形成CFRP-鋁合金組合構(gòu)件，該組建可以把鋁合金和FRP的質(zhì)量小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，并且也解決了FRP比較脆、連接困難和鋁合金較難進(jìn)行彈模的問(wèn)題，因此具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

3.4 全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

在對(duì)復(fù)合性材料的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行探究以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度高是這一材料在力學(xué)領(lǐng)域所表現(xiàn)出的一種主要特點(diǎn)。從這一材料在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)來(lái)看，耐腐蝕性和可設(shè)計(jì)性是這種材料所表現(xiàn)出的一種主要特點(diǎn)。從這一材料在土木工程中的表現(xiàn)來(lái)看，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域中的橋梁工程中有著較為普遍的應(yīng)用。例如復(fù)合材料橋梁的快速架設(shè)技術(shù)的出現(xiàn)，就可以被看作是將全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于土木工程的一種表現(xiàn)。在人們的日常生活中，在地震、火災(zāi)、洪澇災(zāi)害(泥石流)或臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))災(zāi)害發(fā)生以后，這一技術(shù)會(huì)在災(zāi)害救援工作的開(kāi)展過(guò)程中得到應(yīng)用。在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境或軍事演習(xí)項(xiàng)目中，工程兵部隊(duì)所進(jìn)行的橋梁架設(shè)作業(yè)，也可以被看做是橋梁應(yīng)急快速架設(shè)措施的一種表現(xiàn)。不論是在災(zāi)害環(huán)境下還是在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下，橋梁的應(yīng)急架設(shè)工作都會(huì)對(duì)橋梁機(jī)動(dòng)性和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題提出較為嚴(yán)格的要求。由于復(fù)合材料在日常生活中具有輕量化的特點(diǎn)，這就使得這種材料的應(yīng)用問(wèn)題引起了一些學(xué)者的關(guān)注。從這一技術(shù)的應(yīng)用情況來(lái)看，服務(wù)于軍事領(lǐng)域，是這一技術(shù)的研究工作所表現(xiàn)出的主要特點(diǎn)。從這一技術(shù)的應(yīng)用前景來(lái)看，隨著一些軍事領(lǐng)域的新型科研成果的問(wèn)世，軍隊(duì)中的工程兵部隊(duì)在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的橋梁架設(shè)能力會(huì)得到有效提升。

4 材料的發(fā)展與應(yīng)用

4.1 增加科研投入、制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，助推復(fù)合材料跨越式發(fā)展

復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用離不開(kāi)科研的支持，加大科研投入，能吸引更多更多的人才加入到復(fù)合材料的研發(fā)隊(duì)伍中，大大提升新材料、新技術(shù)、新工藝的研發(fā)進(jìn)程。復(fù)合材料研發(fā)成功并投入市場(chǎng)應(yīng)用后，必須積極吸取傳統(tǒng)混凝土工程、鋼筋工程等系列規(guī)范的制作經(jīng)驗(yàn)，制定嚴(yán)格的復(fù)合材料加工、應(yīng)用、施工、檢測(cè)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我國(guó)的復(fù)合材料研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定已有數(shù)十年歷史，目前已初步形成了一些較為基礎(chǔ)的復(fù)合材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，如土木工程中復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、土木專(zhuān)用復(fù)合材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、通用復(fù)合材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展和應(yīng)用起到了十分顯著的效果，但隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料配筋進(jìn)行研究

我國(guó)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料配筋在混凝土梁中的應(yīng)用的研究也比較早，到目前為止，我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出多種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋、索產(chǎn)品以及與其相配套的夾具，隨著研究的力度不斷加大，促使我國(guó)在實(shí)際的實(shí)踐中也取得了一定的研究成果。在研究纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋混凝土的過(guò)程中，主要是研究?jī)蓚€(gè)方面的內(nèi)容：首先是混凝土與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之間的截面的粘結(jié)性能的問(wèn)題，這是因?yàn)檫@兩者的粘結(jié)性能都很差，不同的筋材形式與表面處理形式，最后得到的粘結(jié)性能也是具有差異的；其次是特殊力學(xué)性能，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋是一種彈脆性材料，因此與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件相比，應(yīng)用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋的混凝土的構(gòu)件的受力性能也是不同的，這也成為了相關(guān)學(xué)者在今后都將進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。

4.3 功能、智能混凝土

現(xiàn)代社會(huì)科技發(fā)展迅速，人們對(duì)建筑物的要求也越來(lái)越高，混凝土的材料不僅要能夠承受荷載，還要智能化，多功能化。纖維復(fù)合材料在混凝土當(dāng)中應(yīng)用有：溫度自調(diào)節(jié)混凝土、屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料、損傷自診斷混凝土、導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料等

1)溫差水泥基復(fù)合材料

該材料的制備機(jī)理是將切短的碳纖維適量摻入混凝土材料中使其具有熱電效應(yīng)：即溫差電動(dòng)勢(shì)E與溫差$t之間在最高溫度為70e，最大溫差為50e的范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的線(xiàn)形關(guān)系。利用這種特性該混凝土材料能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。

2)屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料

不管是路面還是建筑物都必須具有屏蔽磁場(chǎng)的功能，為了讓它們具有這種功能，一般情況下會(huì)在混凝土當(dāng)中加入鋼纖維，形狀是曲別針的形狀，從而達(dá)到屏蔽的作用。通過(guò)研究表明，在混凝土當(dāng)中加入5%體積的曲別針就能夠達(dá)到屏蔽磁場(chǎng)的效果。

3)應(yīng)變自感應(yīng)混凝土

這種纖維混凝土是把碳纖維等等均勻摻入水泥當(dāng)中，從而讓水泥具有應(yīng)變自感的功能，可以自己感知內(nèi)部的應(yīng)力以及損傷的程度，從而敏感地檢測(cè)壓、拉、彎等狀態(tài)的內(nèi)部情況。

綜上所述，土木工程和FRP的應(yīng)用領(lǐng)域是非常不同的，其主要的應(yīng)用對(duì)象的尺度比較大，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)用的條件比較復(fù)雜。土木工程廣泛的應(yīng)用混凝土和剛才，其發(fā)展歷史也不過(guò)是150年，在土木工程中應(yīng)用FRP的時(shí)間更短，應(yīng)用形式逐漸變得豐富，其應(yīng)用前景也會(huì)逐漸變得廣闊。

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