復(fù)合材料在土木工程建設(shè)中的發(fā)展與應(yīng)用研究

韓俊鵬

張家口城投路橋工程有限公司 河北張家口 075000

1 復(fù)合材料的發(fā)展

所謂復(fù)合材料就是不同物質(zhì)經(jīng)過(guò)一定物理方式或化學(xué)方式處理后而形成的新型材料，其能夠在一定程度上集成組成新型材料的各種物質(zhì)的特性，并使新材料具有更強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，克服之前單一物質(zhì)材料在性能上的缺陷，進(jìn)而達(dá)到提升其應(yīng)用范圍的目的。在土木工程中，復(fù)合材料能夠極大的增強(qiáng)土木工程本身的性能強(qiáng)度，從而提升土木工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量。

復(fù)合材料是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展下的產(chǎn)物，是材料學(xué)領(lǐng)域的重要研究突破。復(fù)合材料作為一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)的新材料，其最早被應(yīng)用于土木工程建筑中是在二十世紀(jì)五六十年代。如1961年英國(guó)教堂的建設(shè)中就運(yùn)用了復(fù)合材料。而隨著復(fù)合材料的不斷發(fā)展，復(fù)合材料開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各種土木工程的建設(shè)當(dāng)中。在我國(guó)，復(fù)合材料最早是在上世紀(jì)五十年代末期被引入，隨后便在我國(guó)土木工程領(lǐng)域得到應(yīng)用和進(jìn)一步研究發(fā)展。到上世紀(jì)七八十年代，復(fù)合材料在我國(guó)迎來(lái)了新一輪迅猛發(fā)展，1982年北京公路橋的建設(shè)就應(yīng)用到復(fù)合材料，且極大提升了公路橋的承重能力。從復(fù)合材料的應(yīng)用方向看，復(fù)合材料誕生之初主要被用于土木工程的加固中，而隨著復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)在工程實(shí)踐中被不斷正是，其開(kāi)始被廣泛應(yīng)用到土木工程建設(shè)的各個(gè)方向[1]。目前，復(fù)合材料已經(jīng)在土木工程建設(shè)中占據(jù)了舉足輕重的位置，且隨著新材料領(lǐng)域?qū)?fù)合材料研究的不斷深入與創(chuàng)新，復(fù)合材料將在未來(lái)具備更強(qiáng)的性能特性，也將推動(dòng)人類的土木工程建設(shè)事業(yè)登上一個(gè)新的高度。

2 復(fù)合材料的特點(diǎn)分析

復(fù)合材料（FBP）主要由芳綸與碳纖維等構(gòu)成，由于這些材料本身的特性使得復(fù)合材料也具有了較強(qiáng)的碳纖維和樹(shù)脂特征。相較于傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料的重量更輕、強(qiáng)度更高、耐化學(xué)腐蝕性與耐候性更佳，且十分容易加工成型，這在一定程度上也降低了復(fù)合材料的制造成本。復(fù)合材料應(yīng)用于土木工程建設(shè)中，其不但可以提升工程建筑整體強(qiáng)度與承重能力，且能夠減少工程自重，降低工程自重對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)的壓力。同時(shí)，復(fù)合材料的抗化學(xué)腐蝕性和耐候性也能在一定程度上提升土木工程項(xiàng)目的使用壽命，這對(duì)于減少國(guó)家資源消耗、實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)約的可持續(xù)發(fā)展也具有十分積極的促進(jìn)作用。

3 復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究

目前，復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，此處就從以下四方面的應(yīng)用展開(kāi)研究分析[2]。

3.1 混凝土組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

混凝土是土木工程項(xiàng)目中使用較多的材料，但在以往的混凝土材料中多以鋼筋進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)框架的搭建，而鋼筋不但質(zhì)量較大，且費(fèi)用成本較高，于是人們考慮使用復(fù)合材料來(lái)代替混凝土中的鋼材，進(jìn)而形成新的混凝土結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料中的碳纖維結(jié)構(gòu)使材料本身重量更輕，且具有較好的強(qiáng)度性能，因此復(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用迅速得到了認(rèn)可并引發(fā)了一系列針對(duì)該應(yīng)用方向的研究。如以GFRP復(fù)合材料作為外殼，然后將混凝土材料填入其中，由此形成的新型混凝土結(jié)構(gòu)被用來(lái)充當(dāng)橋梁工程中的主梁，同時(shí)在橋梁面板中也采用復(fù)合材料，如此建造出的橋梁在穩(wěn)定性方面具有更為出色的表現(xiàn)。此外，復(fù)合材料與混凝土的結(jié)合還能夠保留混凝土本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，而復(fù)合材料本身的經(jīng)濟(jì)性也能夠降低工程建設(shè)的投入成本。可以說(shuō)，復(fù)合材料在混凝土中的應(yīng)用為土木工程建設(shè)帶來(lái)了眾多利好。

3.2 純復(fù)合材料的應(yīng)用

目前，許多土木工程項(xiàng)目中都逐漸開(kāi)始使用純復(fù)合材料。以純復(fù)合材料形成的大型結(jié)構(gòu)不但在整體性能方面更加出色，且能滿足土木工程部分功能要求和一些特殊建設(shè)需求，這對(duì)于土木工程的發(fā)展也是一個(gè)重要的突破[3]。如當(dāng)前一些感光電路金屬板房間的建設(shè)就以純復(fù)合材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，而美國(guó)蘋(píng)果公司在電磁干涉實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中同樣運(yùn)用到了純復(fù)合材料，從而使實(shí)驗(yàn)室的一些特殊建設(shè)需求得到滿足，為蘋(píng)果公司科研工作的開(kāi)展起到了重要推動(dòng)作用。

3.3 加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用

土木工程建筑結(jié)構(gòu)中的加固補(bǔ)強(qiáng)是當(dāng)前復(fù)合材料最常應(yīng)用的領(lǐng)域，且針對(duì)不同的情況，其具體應(yīng)用的方法也各不相同。一般情況下，加固補(bǔ)強(qiáng)都是通過(guò)在原有構(gòu)件表面附著復(fù)合材料構(gòu)件的方式來(lái)增強(qiáng)原有構(gòu)件的荷載力和性能強(qiáng)度。例如混凝土結(jié)構(gòu)中就可以將玻璃纖維的復(fù)合材料附著于混凝土結(jié)構(gòu)表面來(lái)使結(jié)構(gòu)本身得到加固，同時(shí)還能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)起到一定的防化學(xué)腐蝕作用。

3.4 工程建造中的直接應(yīng)用

復(fù)合材料除了應(yīng)用于加固補(bǔ)強(qiáng)方面外，還可以在土木工程建造中進(jìn)行直接應(yīng)用。上述橋梁主梁和面板中的直接應(yīng)用就是一個(gè)典型的例子。另外，復(fù)合材料在一些曲面結(jié)構(gòu)和耐腐蝕結(jié)構(gòu)中也可以被直接應(yīng)用。

曲面結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑理念發(fā)展下十分常見(jiàn)的一種建筑結(jié)構(gòu)，如隧道、堤壩等工程項(xiàng)目中都涉及到大量的曲面結(jié)構(gòu)。而復(fù)合材料本身十分容易加工成型，這對(duì)于曲面結(jié)構(gòu)的建造就顯得至關(guān)重要。同時(shí)復(fù)合材料應(yīng)用于曲面結(jié)構(gòu)中還具有線條流暢、承壓性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，這為現(xiàn)代曲面結(jié)構(gòu)的建造提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，許多土木工程建筑如污水處理廠、排污回收設(shè)施等都經(jīng)常與腐蝕性物質(zhì)打交道，此時(shí)建筑的抗腐蝕性就顯得格外重要。而復(fù)合材料本身經(jīng)物理、化學(xué)處理具有優(yōu)秀的抗腐蝕能力，所以可以直接應(yīng)用于抗腐蝕結(jié)構(gòu)部分的建造中，如此既可以節(jié)省工程建造時(shí)的材料消耗，也能夠延長(zhǎng)建筑的工作壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然復(fù)合材料在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越普及，但復(fù)合材料的應(yīng)用仍有較大探索空間。對(duì)此，我們應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料本身技術(shù)的創(chuàng)新研究，同時(shí)結(jié)合各種土木工程項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際展開(kāi)應(yīng)用探索，如此方能使復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域發(fā)揮出更為強(qiáng)大的作用。