綠色纖維復合材料在土木建筑工程中的應用

李鵬飛

（太原學院建筑與環(huán)境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

城市化進程不斷加快，土木工程項目數(shù)量逐年增加，傳統(tǒng)的建筑材料不僅成本高，且會產(chǎn)生很多有害物質，對自然環(huán)境以及居民的身體健康都帶來了不利的影響。隨著人們生活質量的提高，建筑材料的綠色環(huán)保性能也越來越受到重視，而綠色纖維復合材料由樹脂和各種極強的纖維組成，具有節(jié)能環(huán)保、質量輕、耐腐蝕性強等良好的性能，極大地提高了土木工程建設質量，在整個土木工程施工中起著非常重要的作用[1]。

1 綠色纖維復合材料的特點

1.1 可設計性

在土木建筑工程中，綠色纖維復合材料由基礎材料和增強材料組成，具有較強的可設計性，可以根據(jù)實際需要設計纖維復合材料，再結合其特點進行加工。綠色纖維復合材料不僅可以保留原材料的特性，還能整合其他合成材料的高品質特性，性能是單一材料無法比擬的，且纖維復合材料的組成也會影響綠色纖維材料的整體特性，可以根據(jù)土木建筑工程的需求對材料配比進行優(yōu)化，極大地滿足了土木工程施工的需要[2]。

1.2 耐用性與抗腐蝕性

土木建筑工程材料的使用壽命是影響建筑質量的重要因素，綠色纖維復合材料的強度是鋼的5倍，鋁的6倍，非常耐用，使用壽命是普通材料的2倍以上，且拉伸性能較好，當綠色纖維復合材料的一些纖維斷裂時，這種壓力可以被區(qū)分，將斷裂壓力傳遞到其他地方，以防止材料瞬間斷裂，可以為維修工作爭取很多時間。部分土木建筑工程中仍在使用傳統(tǒng)的建筑材料，耐腐蝕性差，使用壽命短，直接影響到整個工程的質量，而部分綠色纖維復合材料具有良好的耐腐蝕性能，可以充分發(fā)揮其作用，提高土木建筑工程質量[3]。

1.3 抗震性能強

由于中國部分地區(qū)屬于震感多發(fā)以及臺風地帶，在土木工程建設中，就要考慮到抗強風、抗地震等自然災害，尤其是地震，故建筑的良好的抗震性能可以保障居民的生命安全。經(jīng)實驗表明，在加速度和頻率變化的過程中，許多材料會發(fā)生斷裂和折斷，而大部分綠色纖維復合材料具有較強的抗震性能和減震性能，對于地震產(chǎn)生的沖擊波有較高的吸收效果，在土木建筑工程中的應用可以大大提高建筑質量[4]。

1.4 可觀賞性與抗疲勞性

在土木建筑工程中，金屬材料受“熱脹冷縮”原理，使自身具有一定彈性，其強度是伸強度的40%～50%。若天氣極端寒冷，金屬材料會出現(xiàn)“脆化”現(xiàn)象，影響到建筑功能的正常使用，而綠色纖維復合材料抗疲勞能力比普通金屬材料要高出30%左右，抗疲勞性能優(yōu)越。此外，與其他普通材料相比，纖維復合材料具有很強的美學品質，可塑性較強，可以根據(jù)需求設計成各種各樣的顏色與形狀，滿足了當下人們對美學的追求，促進了土木建筑行業(yè)的進一步發(fā)展[5]。

2 綠色纖維復合材料在土木建筑工程中的作用

綠色纖維復合材料已經(jīng)被廣泛應用于土木建筑工程中，其作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：（1）提高土木工程建設效率：綠色纖維復合材料具有良好的抗腐蝕性與抗震性能，在土木建筑工程中可以承受建筑物與地面的荷載，并能持續(xù)保持優(yōu)良的性能，從而加快了施工人員的施工速度，提高了土木工程工作效率；（2）提升土木工程施工效果：土木工程項目龐大，在施工前，由于設計人員方案不一致會造成沖突，影響施工效果。而綠色纖維復合材料的應用需要結合地域特點，提前進行有效的施工設計，最大限度發(fā)揮土木工程施工效果，保證施工質量[6]。

3 土木建筑工程中綠色纖維復合材料的具體應用策略

3.1 鋼筋混凝土中綠色纖維復合材料的應用

傳統(tǒng)的建筑材料鋼筋混凝土因耐腐蝕性差與力學抗性差限制了其在土木工程中的進一步發(fā)展，在鋼筋混凝土中應用綠色纖維復合材料可以增強其耐腐蝕性，提高其抗震性能?，F(xiàn)階段，玻璃纖維混凝土及其他物料（例如纖維增強混凝土）已廣泛應用于土木工程及建筑工程，相比于普通混凝土，這些材料具有很強的力學性能，防水、防腐性能也較強，綠色纖維復合材料越來越受到重視。此外，它的抗震動性能可以減少突發(fā)震動對建筑物造成的破壞[7]。

3.2 水泥基中綠色纖維復合材料的應用

傳統(tǒng)的土木工程建筑材料不具備電磁波抗干擾的功能，我們可以在土木工程建設中采用纖維復合材料屏蔽磁場來消除一定的電磁波，也可以通過在混凝土中摻入鋼纖維來屏蔽磁場。在土木工程中常使用的屏蔽電磁波的材料是水泥基纖維材料，是一種新型復合智能材料，由在水泥基材料中加入鋼、碳、鋁和其他纖維制成，不僅可以有效屏蔽周圍的電磁波，還可以用于智能導航系統(tǒng)。在土木建筑工程中，還有一種智能建筑材料為應變自感應混凝土材料，將碳纖維散布在水泥中以此來自動感應建筑物的應力和損傷，并自動調節(jié)受力情況[8]。綠色纖維復合材料中的導電水泥混凝土可以提高水泥的抗疲勞性能，增加建筑使用壽命。在混凝土中加入綠色導電纖維材料可以使混凝土具有導電性，雖然這項技術在住宅供暖中起到了一定的作用，但成本較高，技術不成熟，仍有很多創(chuàng)新發(fā)展空間。

此外，以ECC材料為基礎，以纖維作增強材料也能在不同程度上改善水泥基的性能，ECC材料全稱為Engineered Cementitio us Composites，是一種基于細觀力學設計的具有良好力學性能、超強韌性的高性能纖維增強水泥基復合材料，多以水泥、水泥加填料或粒徑小于5mm的細集料作為基體，以PVA、PE等合成纖維作為增強材料，當纖維摻量體積率小于2%時，其極限拉應變力可達到3%以上，該拉伸應變力約為普通混凝土的100～300倍，ECC憑借超強的韌性與多縫開裂等優(yōu)良特性被廣泛應用于土木工程中。比如在邊坡加固應用方面，日本歧阜一座混凝土邊坡墻遭受嚴重開裂，在其表面噴上一層60mm左右的ECC覆蓋層，完工一年后發(fā)現(xiàn)ECC修復層最大裂縫寬度僅有50 μm，取得了良好的加固效果（如圖1所示）。

3.3 綠色纖維復合材料（FRP）在土木工程中的主要應用

纖維增強復合材料，簡稱FRP，是一種由纖維材料和基體材料按一定比例混合而成的高性能材料。具有質輕而硬、不導電、耐腐蝕等特性，隨著社會科學技術的進步和土木工程結構的發(fā)展，F(xiàn)RP以其優(yōu)異的力學性能，滿足現(xiàn)代工程結構向大跨度、高層、重載和輕質化發(fā)展的需要，在橋梁工程、土木建筑、海洋工程和地下工程中得到了廣泛的應用，受到了結構工程界的廣泛關注，其在土木工程中的應用主要體現(xiàn)在以下幾方面[9]：

（1）用于土木工程結構的加固加強

在土木工程中，綠色纖維復合材料通常附著在構件表面，原構件借助纖維復合材料的性能進行加固，F(xiàn)RP材料廣泛應用于混凝土結構的加固，基于混凝土易變性，最常見的方式是使用FRP布對混凝土結構進行纏繞來提高整體結構的穩(wěn)定性，增強建筑結構的抗震性能。還有一種簡單的方法是將FRP片材粘貼在混凝土梁或相應的鋼板的受力表面，有效地提高了建筑物的整體受力，使其更加實用、高效，該加固方法廣泛應用于梁承載力修復與舊建筑物的改造加固中[10]。

（2）FRP筋索以及預應力 FRP筋混凝土結構

FRP本身的非磁性特性非常突出，被廣泛應用于道路橋梁的建設中，且在一定程度上以用作預應力鋼筋，在20世紀的土木工程中，加固的主要方法是將其應用于道路混凝土的施工，因玻璃纖維增強塑料（簡稱“GFRP”）生產(chǎn)簡單且成本低，近年來在一些工程上得到應用，其物理性能見表1。

表1 GFRP物理性能

英國設計咨詢公司與橋梁專家合作設計了全球第一座玻璃纖維增強樹脂基復合材料橋梁（如圖2所示），該橋梁的模塊組件均為1米長，用螺栓連接在一起，跨度可達30米，適用范圍廣。此外，由于它比鋼橋輕70%，橋梁只需使用叉車即可實現(xiàn)搬運，使工程交付更加高效，由于采用了GFRP材料，也使橋梁具有優(yōu)異的防火、抗破壞以及防紫外線輻射的性能[11-12]。

在土木工程建設過程中，纖維復合材料有著顯著的應用優(yōu)勢，例如CFRP構件有著自重輕、耐久性好、結構恒載低的優(yōu)點，能將常規(guī)材料的活載應力由10%～20%提高至50%～70%，還能將以纖維復合材料為核心的斜拉橋拉鎖的橋梁跨度增加1.3～2.3倍（如表2所示）。

表2 鋼索、CFRP復合材料橋梁極限跨徑

CFRP在加固工程中具有施工便捷的特點，且粘貼工藝較簡單，其應用如圖3所示[13]。

（3）FRP橋面體系

在橋面施工中，通常在橋面鋪裝FRP材料，利用FRP材料的強度對橋面進行加固，提高橋面的荷載（見圖4），與傳統(tǒng)的施工工藝相比，F(xiàn)RP材料橋面具有更好的承載能力，有利于提高橋面整體的動荷載水平[14-15]。

4 結語

綜上所述，隨著土木工程的發(fā)展，建筑業(yè)也從過去單一的追求堅固轉變成了美觀、堅固、綠色環(huán)保。綠色纖維復合材料的應用對土木工程行業(yè)有著重要的意義，在土木工程中發(fā)揮著巨大的作用，可以有效提高建筑的施工效率與施工效果，保證土木工程的施工質量。鑒于目前的發(fā)展狀況，綠色纖維復合材料還有很多性能未被挖掘，具有很大的發(fā)展空間，我們可以進一步挖掘其隱藏的特點，提高我國建筑業(yè)的發(fā)展水平。