土建領(lǐng)域中的纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

陸智斐

（上海海洋大學(xué)后勤與基建管理處，上海 201306）

纖維復(fù)合材料早期主要被用于航空航天及軍工等領(lǐng)域，憑借其優(yōu)異的抗腐蝕、尺寸穩(wěn)定性以及輕質(zhì)高強(qiáng)等性能，后期逐步在建設(shè)工程行業(yè)得到了青睞。在土建領(lǐng)域，纖維復(fù)合材料能滿足現(xiàn)代化建設(shè)工程的輕質(zhì)、高強(qiáng)、重載、大跨及耐腐蝕等一系列需求，在混凝土結(jié)構(gòu)加固、橋墩維修補(bǔ)強(qiáng)、鄰海構(gòu)筑物防腐等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1-2］，并較好地契合當(dāng)前超高層建筑、智能化裝修、城市立體更新以及“雙碳”戰(zhàn)略等新型現(xiàn)代化建造理念。

超高性能水泥基復(fù)合材料（UHPCC）具備超高強(qiáng)度與超高耐久性［3］，其突出的力學(xué)性能使其在超高層建筑中應(yīng)用前景廣闊；木塑復(fù)合材料是一種新型節(jié)木材料，防水、抗菌防蟲且吸聲效果好，在吊頂、墻板、地板以及門窗等的裝配式智能化裝修方面擁有理想的效果；而在當(dāng)前新建與存量更新改造同步的城市更新階段，纖維布、纖維筋以及纖維板等復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固、維修補(bǔ)強(qiáng)等方面占據(jù)重要地位。纖維復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程能耗小，自重輕、使用便捷，無(wú)需大型機(jī)械配合，節(jié)能減碳優(yōu)勢(shì)顯著，利于我國(guó)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

與此同時(shí)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)智能化材料的需求日趨高漲，如自檢測(cè)、自修復(fù)以及自維修等，而智能/功能混凝土等纖維復(fù)合材料不僅能承受相應(yīng)的荷載，而且能適應(yīng)多種智能化場(chǎng)景需求，從而賦予大型建（構(gòu)）筑物智能化應(yīng)用與運(yùn)行條件，提升橋梁或高速公路等的服役年限與使用品質(zhì)。研究和實(shí)踐表明，纖維復(fù)合材料在土建工程中的推廣應(yīng)用，可一定程度上改善傳統(tǒng)建材應(yīng)用的不足和缺陷，突破大跨、重載等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)極限［4］，同時(shí)憑借綠色環(huán)保、防腐耐久等性能，有效降低土建施工領(lǐng)域的生產(chǎn)能耗和維護(hù)造價(jià)，更好地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)的水泥、鋼筋或混凝土等建材而言，纖維復(fù)合材料擁有獨(dú)特的優(yōu)異性能，具體包括以下幾方面。

（1）比強(qiáng)度、比剛度大。在密度方面，部分纖維復(fù)合材料，如碳纖維復(fù)合材料，其密度僅約為鋼材的0.2，鈦合金的0.3，這使得CFRP材料的比強(qiáng)度顯著優(yōu)于常用的傳統(tǒng)建材，如玻璃鋼、超硬鋁、高強(qiáng)鋼等，且比模量均超過(guò)傳統(tǒng)建材至少3倍［5］。再如碳纖維T300/5208，其比剛度為鋼材的5倍以上。憑借輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，纖維復(fù)合材料能節(jié)約施工工期，降低施工復(fù)雜度。

（2）可設(shè)計(jì)性。纖維復(fù)合材料是傳統(tǒng)纖維和樹脂融合的產(chǎn)物，二者在性能上相互補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成協(xié)同效果，在宏觀上具有各自組分材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具自身新材料的獨(dú)特性能。因此，用于結(jié)構(gòu)材料時(shí)，纖維復(fù)合材料可針對(duì)結(jié)構(gòu)功能需要，利用不同性能的材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能要求。

（3）耐疲勞。常規(guī)情況下，金屬材料的疲勞強(qiáng)度僅為其極限強(qiáng)度的2/5～1/2，而對(duì)于纖維復(fù)合材料，如CFRP，其在荷載工況下表現(xiàn)為黏彈性特點(diǎn)，能抑制裂縫擴(kuò)張，抗疲勞特性佳。而處于靜態(tài)時(shí)，CFRP材料的破壞條件為極限強(qiáng)度應(yīng)力的0.9倍，可循環(huán)作用逾百次，而相同工況下鋼材的破壞極限僅為強(qiáng)度應(yīng)力的50%左右［6］。

（4）抗腐蝕。使用壽命方面，纖維復(fù)合材料是傳統(tǒng)鋼筋和混凝土的2倍［7］，且大多為電絕緣材料，可以在酸堿等腐蝕性環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作。將其用于近海結(jié)構(gòu)的加固維修時(shí)，能夠避免與海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，極大地提高了近海構(gòu)筑物的服役年限，有效減少維修或改建頻次，節(jié)約工程成本。

（5）結(jié)構(gòu)功能/智能化。纖維復(fù)合材料具備良好的設(shè)計(jì)性，因此前期材料性能在一定設(shè)計(jì)條件下可具備智能化。如經(jīng)特殊材料制成的復(fù)合材料梁體，能夠針對(duì)不同的振動(dòng)環(huán)境自動(dòng)產(chǎn)生一定的變形，改變固有振動(dòng)頻率，降低相應(yīng)振幅，從而提升框架結(jié)構(gòu)的服役年限，減少結(jié)構(gòu)噪聲［8］。

（6）延性好、抗震性能優(yōu)良。纖維復(fù)合材料的自振頻率高，阻尼大，一般不會(huì)出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。同時(shí)，大量纖維體相對(duì)獨(dú)立受力，即使部分纖維受力斷裂，仍可將荷載傳遞至其余纖維承擔(dān)，表現(xiàn)出較好的延性破壞特征。

2 土建領(lǐng)域中的纖維復(fù)合材料應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)加固維修

在土建工程加固領(lǐng)域，纖維復(fù)合材料，尤其是碳纖維、芳綸纖維等復(fù)合片材的抗拉強(qiáng)度較高，是較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固材料。纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的主要機(jī)理是通過(guò)樹脂黏合劑，將纖維復(fù)合片材以一定方式粘貼排列于待修補(bǔ)構(gòu)件表面，使其與結(jié)構(gòu)構(gòu)件整體受力，協(xié)同作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件裂縫修補(bǔ)或受力性能改善。

相比常規(guī)加固方法，如自重大、抗腐蝕性差、服役年限短的粘鋼方法等，纖維復(fù)合片材加固施工較為便捷，加固效果顯著，其能有效增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力，且不增加額外的自重與截面面積，同時(shí)能適應(yīng)不同的加固環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，纖維復(fù)合片材在加固時(shí)可適用于受彎、受剪及抗震等不同工況［9-10］。

2.2 纖維聚合物筋

纖維聚合物筋作為一種復(fù)合材料制品，相比鋼筋而言，在熱膨脹系數(shù)、與混凝土黏結(jié)性、抗腐蝕性、抗疲勞性以及自重和強(qiáng)度等方面，均有更好的性能表現(xiàn)，因此可一定程度上替代鋼筋，形成纖維聚合物筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在地下連續(xù)墻鋼筋籠、預(yù)應(yīng)力鋼筋等領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。纖維聚合物筋的類別較多，其中的纖維可以是傳統(tǒng)的碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維等，其制作機(jī)理為：先將各類細(xì)小纖維包裹在樹脂母體中，再對(duì)其采用拉擠成型工藝形成細(xì)長(zhǎng)條，然后對(duì)其表面做特殊工藝處理，最終形成復(fù)合材料成品。

纖維聚合物筋具備高強(qiáng)的性能，將其施加一定的預(yù)應(yīng)力不但能充分發(fā)揮其力學(xué)特性，而且可實(shí)現(xiàn)纖維聚合物筋混凝土梁抗裂能力的提升。因此，在混凝土梁或柱構(gòu)件中，纖維聚合物筋可替代傳統(tǒng)鋼筋作為加強(qiáng)骨架進(jìn)行應(yīng)用，如將碳纖維聚合物筋應(yīng)用于體外預(yù)應(yīng)力筋或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，以契合其抗腐蝕、低模量等特性，或者利用優(yōu)異的抗疲勞、耐腐蝕性能，將其用于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋的主要豎向受力構(gòu)件等。

2.3 纖維混凝土復(fù)合材料

作為土建工程中的主要原材，傳統(tǒng)水泥混凝土存在脆性破壞、抗拉性能差等不足。纖維的抗拉強(qiáng)度較大，將其摻至水泥基體后，可形成強(qiáng)度高、耐久性好、延性優(yōu)良且具備功能化特點(diǎn)的水泥基纖維復(fù)合材料，其中的纖維類別可包括碳纖維、智能纖維、鋼纖維、玻璃纖維及芳綸纖維等。

2.3.1 纖維增強(qiáng)混凝土

針對(duì)傳統(tǒng)水泥砂漿和混凝土材料的性能短板，為實(shí)現(xiàn)其性能的優(yōu)化改良，可基于纖維阻裂機(jī)理［11］，通過(guò)摻入抗堿能力強(qiáng)、力學(xué)特性優(yōu)異的纖維材料并以特定方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合，從而形成纖維增強(qiáng)混凝土，提升傳統(tǒng)的綜合性能與應(yīng)用價(jià)值。在纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展早期，土建領(lǐng)域大多利用鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)改造，隨著應(yīng)用深入與技術(shù)拓展，后續(xù)相繼研發(fā)出了玻璃纖維、芳綸纖維、防彈絲纖維以及碳纖維等增強(qiáng)復(fù)合混凝土，其中尤以碳纖維增強(qiáng)混凝土的性能最為突出，如耐強(qiáng)堿腐蝕、機(jī)械性能強(qiáng)大、耐水性好以及不懼溫差等，其相關(guān)的應(yīng)用也最為普遍。在土建領(lǐng)域，以碳纖維取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的鋼絲/鋼筋，可在降低構(gòu)件自重的同時(shí)，弱化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化趨勢(shì)，既便于吊裝，也能節(jié)約工期。另外，碳纖維具備一定的振動(dòng)阻尼性能，能顯著提升結(jié)構(gòu)的抗震能力。相關(guān)研究［12］指出，在水泥混凝土中只需摻入約2%左右的碳纖維，即能大幅提升其抗拉與抗彎強(qiáng)度，同時(shí)也能進(jìn)一步強(qiáng)化抗壓強(qiáng)度。

2.3.2 功能/智能混凝土

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，人們對(duì)智能建筑與智能材料的需求與日俱增，而纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)能賦予傳統(tǒng)混凝土更多的智能或功能，以滿足不同使用工況的實(shí)際功能需求。

（1）屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料。在某些需要屏蔽磁場(chǎng)的土建項(xiàng)目中，如工業(yè)建筑、機(jī)房、變電站等，為使建（構(gòu)）筑物具備屏蔽功能，可在結(jié)構(gòu)混凝土制備中摻入一定量的鋼纖維。研究指出，亂向分布的短鋼纖維具備電磁輻射屏蔽性能，其屏蔽能力與鋼纖維的長(zhǎng)度、體積、長(zhǎng)徑比等有關(guān)［13］。

（2）應(yīng)變自感應(yīng)混凝土。碳纖維的變形與所受應(yīng)力具備相應(yīng)的線彈性關(guān)系，因此可通過(guò)將碳纖維與水泥基材進(jìn)行復(fù)合形成應(yīng)變自感應(yīng)混凝土，其可以借助復(fù)合材料中短切碳纖維，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土受拉、受彎或受壓等不同工況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（3）自修復(fù)混凝土。以往的混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂后，一般需要通過(guò)外在措施進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。而在混凝土中摻入含有黏結(jié)材料的玻璃空心纖維時(shí)，在結(jié)構(gòu)受損擠壓引起玻璃空心纖維破裂后，可釋放出黏結(jié)劑并使裂縫處重新愈合，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)效果，此謂自修復(fù)混凝土。同時(shí)，還可在將編織纖維網(wǎng)摻入磷酸鈣水泥基體中，借助水化、硬化、聚合等一系列反應(yīng)，促進(jìn)受損位置的自愈合［14］。

3 存在的不足與發(fā)展前景

纖維復(fù)合材料能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，突破傳統(tǒng)單一材料的應(yīng)用局限，既有各組分原材料的優(yōu)良性能，也有原材所不具備的特性，在我國(guó)土建領(lǐng)域中占據(jù)重要的應(yīng)用地位。但就當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，纖維復(fù)合材料仍存在不足和發(fā)展瓶頸，需要在未來(lái)進(jìn)行以下方面重點(diǎn)研究和突破。

（1）纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)規(guī)程，一定程度上限制了其應(yīng)用的規(guī)范性和可靠性。為在將來(lái)能更好地在土建領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)推廣發(fā)展和深入應(yīng)用，設(shè)計(jì)程序和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)必須及時(shí)制定。

（2）纖維復(fù)合材料的價(jià)格居高不下，應(yīng)用成本較高，且產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法得到有效保證，成為實(shí)現(xiàn)其進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

（3）纖維復(fù)合材料在目前的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其在被加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件服役年限期滿后的回收利用問(wèn)題未得到關(guān)注，材料的綠色應(yīng)用存在階段性缺陷。

（4）在實(shí)際應(yīng)用中仍有較多的力學(xué)機(jī)理尚待深入分析，如材料結(jié)構(gòu)特性對(duì)力學(xué)性能的影響、荷載工況下復(fù)合材料柱/梁的變形規(guī)律，以及酸堿或凍融等惡劣環(huán)境下的蠕變性等。