土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

王旭東

（上海中僑職業(yè)技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201514）

隨著建筑工程領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和人類對多種環(huán)境下的建筑需求，建筑材料的需求量在增大的同時建筑材料的性能要求也在拔高。傳統(tǒng)的建筑材料由于其強度、抗震、耐高溫等方面性能的不足導(dǎo)致傳統(tǒng)建筑物的質(zhì)量較低，阻礙了建筑工程在嚴(yán)苛環(huán)境下的應(yīng)用。對此，許多新型建筑材料應(yīng)運而生，其中，纖維復(fù)合材料是較為重要的組成部分之一［1］。

復(fù)合材料是由兩種或以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)過物理或化學(xué)方法進行加工得到的新型材料，往往兼具其組成部分的高性能。纖維復(fù)合材料是將各種高性能纖維作為增強相，與基材通過纏繞或拉擠等方式成型得到的復(fù)合材料，纖維復(fù)合材料通常表現(xiàn)出其增強纖維的性質(zhì)，如碳纖維復(fù)合材料具有高強度和較低的自重，芳綸纖維的抗拉強度增強了近60%［2-3］。按照纖維形態(tài)類型的不同可將其分為短纖維和長纖維，非連續(xù)結(jié)構(gòu)短纖維對復(fù)合材料的抗拉強度和抗裂性就較大的提升，而連續(xù)的長纖維對復(fù)合材料的延展性、韌性的增強更為突出，纖維的復(fù)合使得原本易產(chǎn)生裂紋的混凝土對裂紋萌發(fā)和擴展有了較大的抵抗能力，可以更加穩(wěn)定地服役［4］。同時，韌性的提高使得混凝土材料具備一定的抗沖擊能力，但纖維復(fù)合材料在現(xiàn)階段的應(yīng)用中仍具有較明顯的缺陷。近年來，纖維增強水泥基復(fù)合材料在各種領(lǐng)域都有大量應(yīng)用，本文簡單介紹了纖維復(fù)合材料的特性和優(yōu)勢，并將其在建筑工程中的運用做了簡要的介紹和歸納，為更好地應(yīng)用纖維復(fù)合材料提供了一定的參考。

1 纖維復(fù)合材料的優(yōu)點

1.1 可設(shè)計性

纖維復(fù)合材料在成型時需要添加纖維作為增強相，為了使纖維可以和基材充分接觸并混合，不同的混雜纖維類型對基材的增強著重點有著較為明顯的區(qū)別，使得纖維復(fù)合材料的成型工藝可以達到明確構(gòu)件性能的基礎(chǔ)上進行模擬和調(diào)配的功能，纖維復(fù)合材料在表現(xiàn)出極為優(yōu)良的適應(yīng)性的同時也具有較佳的設(shè)計性［5-6］。通過建筑工程師對施工期間整個建筑工程材料性能目標(biāo)的評估和計算，可以更為合理地對纖維復(fù)合材料進行應(yīng)用，有效降低工程的施工成本。

1.2 力學(xué)性能優(yōu)越

纖維種類的不同對纖維復(fù)合材料性能的增強也有所差別，例如聚丙烯纖維等有機纖維對復(fù)合材料的韌性提升較大，而鋼纖維、碳纖維等無機纖維對復(fù)合材料的抗拉強度提升較為明顯［7］。然而可以明確的是，纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了大幅度的提升。通過文獻對纖維復(fù)合材料的研究可知［8］，纖維復(fù)合材料的抗拉強度和同直徑的鋼筋相比提高了100%以上，最高可達到鋼筋的8倍。同時，纖維復(fù)合材料在承受相同的載荷時產(chǎn)生的塑性變形量也遠小于鋼筋［9］。優(yōu)越的力學(xué)性能使得纖維增強復(fù)合材料可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而達到降低整體建筑工程復(fù)雜程度的效果。

1.3 耐腐蝕性

隨著我國對資源的利用開發(fā)，各種嚴(yán)苛環(huán)境下如油田、深海等的建筑工程應(yīng)用開始增多，建筑材料容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，以沿海地區(qū)為例，由于空氣較為濕潤且海水中的鹽濃度要遠高于常規(guī)狀態(tài)下，水分子容易滲入到復(fù)合材料中，鋼筋類的材料容易遭受腐蝕導(dǎo)致材料性能的降低［10］。而材料的腐蝕一旦發(fā)生，就會對建筑工程的整體質(zhì)量造成較大的影響，更甚如果施工材料被腐蝕必然會影響有效應(yīng)用，從而留下安全影響，不僅會影響建筑的整體質(zhì)量，還會影響工程經(jīng)濟效益。在沿海地區(qū)，在不同種類的纖維類型中，無論是有機纖維亦或是無機纖維都具有較高的耐腐蝕性能，相對鋼筋而言，復(fù)合材料的滲水問題對纖維并不會造成較大的影響，即便材料處于潮濕環(huán)境或整體處于水環(huán)境下，纖維材料也不會發(fā)生材料的腐蝕，即使是鋼纖維也會在基材的包裹下腐蝕發(fā)生較為緩慢［11］，使用壽命得到延長。

1.4 良好的抗震性

纖維復(fù)合材料的基體和纖維的結(jié)合方式使其具有較好的緩沖效果，即優(yōu)良的減震性。文獻中指出，纖維復(fù)合材料在受到一定的沖擊時，其特殊結(jié)構(gòu)會使材料在不同的外加頻率下保持結(jié)構(gòu)的完整性和性能的穩(wěn)定性，在相同頻率的實驗測試中纖維復(fù)合材料的減震性要優(yōu)于其他材料［12］。

1.5 抗疲勞性

無論是傳統(tǒng)建筑材料或金屬材料，在承受應(yīng)力載荷的循環(huán)施加后都會發(fā)生應(yīng)力疲勞，并且在環(huán)境的溫度循環(huán)下，材料的熱膨脹性能較低，在熱脹冷縮的影響下會出現(xiàn)力學(xué)性能的降低。而在低溫環(huán)境下更是會出現(xiàn)“脆化”現(xiàn)象。在纖維復(fù)合材料中，纖維的添加使纖維復(fù)合材料的韌性得到有效的提升，根據(jù)文獻顯示，纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能要比金屬材料高出30% 以上，服役壽命較長［13］。

1.6 較強的安全性

為了保證建筑物整體的穩(wěn)定，通常會將建筑材料在外界環(huán)境下的損壞納入建筑設(shè)計中，而纖維復(fù)合材料的內(nèi)部具有一定數(shù)量的獨立纖維，這些細小的獨立纖維可以有效填補基材內(nèi)部的微孔和孔隙，抑制的裂紋的萌發(fā)，同時在裂紋兩端的長纖維和短纖維均在一定程度上具有將裂紋橋連的作用，從而對裂紋的擴展有一定的抑制效應(yīng)。且纖維的混雜通常是以束為單位，單一纖維的斷裂會被其他纖維的載荷分擔(dān)，構(gòu)件的承載力得到了加強，因此對于整體建筑的安全性具有非常高的保護作用。

2 纖維復(fù)合材料的發(fā)展缺陷

雖然纖維材料的優(yōu)點很多，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、可靠的安全性和耐蝕性，但仍然存在一定缺陷［14］。首先，纖維復(fù)合材料的制造成本較高，限制了纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的大規(guī)模的應(yīng)用。而且，與混凝土等傳統(tǒng)建材相比，纖維復(fù)合材料的性能波動性較大，在工程使用中依靠設(shè)計師或建筑工人自身的經(jīng)驗進行判斷，缺乏一定的精準(zhǔn)性。最后，由于纖維材料和基體結(jié)合較為緊密，且纖維細小、強韌的特性使纖維復(fù)合材料的回收較為困難，因此現(xiàn)在對纖維復(fù)合材料的回收和循環(huán)利用仍沒有相對成熟的機制，與現(xiàn)在的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相左?？傊?，纖維復(fù)合材料仍需要對工藝進行進一步優(yōu)化。

3 纖維復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 增強混凝土

混凝土是現(xiàn)在建筑工程中最為常見且應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，混凝土材料具有高強度、耐火、耐酸等種種優(yōu)勢，但易產(chǎn)生裂縫和抗?jié)B性較低的缺點是混凝土材料失效的主要原因。將纖維材料作為增強相可以增加混凝土的致密性，從而達到對混凝土強度的強化，并且纖維材料對混凝土中缺陷的填補也能明顯提升混凝土材料的抗?jié)B性。在傳統(tǒng)的混凝土材料運用中，加筋處理是對混凝土抗拉強度和韌性加強的主要方式，而內(nèi)包裹的鋼筋容易受到環(huán)境的影響發(fā)生腐蝕，纖維材料對混凝土抗?jié)B性的提高保護了內(nèi)包裹的鋼筋的服役壽命［15］。

纖維材料對混凝土的增強不僅體現(xiàn)在抗?jié)B性的提高上，對纖維增強混凝土材料的延展性、抗沖擊等特性也有所展現(xiàn)，簡而言之，纖維材料可以多方面、多角度的提升混凝土材料的性能，使混凝土的應(yīng)用范圍拓展，服役壽命得到有效延長，提升建筑工程的質(zhì)量［16］。

3.2 涂層織物

在以纖維材料為原料制成織物正反兩面形成單層或多層的聚合物涂層，即涂層織物，是新型的復(fù)合涂層織物，有別于傳統(tǒng)的棉織物等涂層織物，纖維材料涂層織物具有極高的拉伸強度和抗張力，且物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，耐腐蝕，將其涂附在材料表面可以有效保護材料表面和維持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時在其強大的拉伸性能下，即使建筑材料發(fā)生了一定程度的開裂或缺陷，涂層織物依然能維持建筑工程的穩(wěn)定服役［17］。同時，隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，纖維涂層織物還可以承擔(dān)更多的作用，如疏水、阻燃和遮光等其他性能，為建筑工程的多功能性做出了貢獻。且如珠光涂層織物等更是具有極為美麗的外觀特性，提升建筑的美學(xué)價值。纖維涂層織物的多種功能使得纖維復(fù)合材料在膜結(jié)構(gòu)建筑和對建筑工程的維修中也發(fā)揮顯著作用。

3.3 結(jié)構(gòu)補強材料

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)補強材料的主力軍往往是抗拉強度和抗彎強度較高的鋼鐵材料，但金屬材料的高自重和易腐蝕的特點使得其服役周期較短，鋼鐵材料在作為結(jié)構(gòu)補強材料時，同時受到外加載荷和腐蝕環(huán)境的影響，通常會發(fā)生突發(fā)性滯后斷裂，這種失效模式是突發(fā)性的且一旦發(fā)生將徹底失效。而纖維復(fù)合材料不僅抗拉強度與金屬材料相當(dāng)甚至有所超出，以纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補強材料可以整體提升建筑材料的性能。以碳纖維為首的新型高強纖維材料對載荷的承載力更強，可以實現(xiàn)對橋梁或道路工程的基樁進行加固處理，同時應(yīng)用纏繞工藝還可以防止建筑工程發(fā)生結(jié)構(gòu)的開裂［18］。

3.4 用于承載結(jié)構(gòu)

在不同的建筑工程中，承載結(jié)構(gòu)往往有較大的差異，對承載結(jié)構(gòu)的功能和形態(tài)也有著較為明顯的區(qū)別。纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能和極高的可塑性使其可以制備出形態(tài)結(jié)構(gòu)各異的承載結(jié)構(gòu)，如排架、梁板等。在鋼構(gòu)建筑工程中，纖維復(fù)合材料便是承載結(jié)構(gòu)的主要材料。通常而言，由于纖維復(fù)合材料突出的耐蝕性和抗?jié)B性，纖維復(fù)合材料常見于外墻板或樓板等易出現(xiàn)腐蝕的構(gòu)件中，以提升建筑的服役壽命，同時滿足建筑的隔熱、保溫等功能化的設(shè)計，也可以達到代替混凝土、降低自重的同時對建筑的耐久性進行加強［19］。在常規(guī)的建筑工程中，纖維復(fù)合材料制成的隔熱板、門窗構(gòu)件等也極為常見，由于纖維復(fù)合材料的強度高、韌性高，作為此類構(gòu)件時不僅可以滿足功能需求，也加強了構(gòu)件的外觀性，且簡化了構(gòu)件的施工過程，提升了人工效率，降低了經(jīng)濟成本。

4 結(jié)語

纖維復(fù)合材料所具有的優(yōu)異耐蝕性、耐沖擊性能和極高的力學(xué)性能使其在建筑工程中可以實現(xiàn)多方面的應(yīng)用，在取代傳統(tǒng)建筑材料、降低環(huán)境污染的同時也對建筑工程的整體質(zhì)量有著明顯的提高。而通過對纖維復(fù)合材料特性的把握還能達到建筑多功能化的效果，對實現(xiàn)建筑工程質(zhì)量、功能、經(jīng)濟效益三重優(yōu)化具有較大的意義。所以，在現(xiàn)代新型建筑工程的建設(shè)中，取代傳統(tǒng)高污染、低性能的建材，對新型建筑材料的開發(fā)和運用，是今后建筑工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，而加強對纖維復(fù)合材料等新型建材的科學(xué)合理的選擇與應(yīng)用，更是在綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展理念下，提高建筑工程質(zhì)量和推動建筑領(lǐng)域的發(fā)展極為重要的一環(huán)。