纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究

柴勇林，李秉洪，梁曉東，尹亞偉，張瑨博

(山西建工集團(tuán)第四工程公司，山西太原 030021)

纖維復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的抗腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)等性能和突出的尺寸穩(wěn)定性，早期主要應(yīng)用于航空航天及軍工等領(lǐng)域，后期逐步在建設(shè)工程行業(yè)得到了青睞。在土木建筑工程領(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)、臨海構(gòu)筑物防腐等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。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)合材料不僅能滿足建筑工程的力學(xué)指標(biāo)，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)[3]。研究和實(shí)踐表明，纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的推廣應(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，有效降低土木建筑施工領(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)展目標(biāo)。

1 纖維復(fù)合材料的應(yīng)用特點(diǎn)

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。

（1）可設(shè)計(jì)性。纖維復(fù)合材料是由纖維材料和基材復(fù)合的產(chǎn)物，兼具纖維材料與基材各自組分的優(yōu)勢(shì)，且在性能上相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成協(xié)同效果。例如，可通過(guò)纖維材料和樹(shù)脂的選擇，達(dá)到設(shè)計(jì)復(fù)合材料預(yù)期性能的效果。

（2）比強(qiáng)度、比剛度大。以樹(shù)脂基纖維復(fù)合材料為主的復(fù)合材料密度較低，但具有較高的力學(xué)性能。如碳纖維復(fù)合材料，其密度僅約為鋼材的0.2倍，鈦合金的0.3倍，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)雜程度。

（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）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。

（6）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]。

2 纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的主要應(yīng)用

2.1 纖維混凝土復(fù)合材料

作為土木建筑工程中的主要材料之一，傳統(tǒng)水泥混凝土存在脆性破壞、抗拉性能差等缺陷。而纖維的高抗拉強(qiáng)度可有效增強(qiáng)水泥基材料的機(jī)械性能，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。

2.1.1 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[9]，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)混凝土材料的綜合性能與應(yīng)用價(jià)值。在纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展早期，土木建筑領(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，具有耐強(qiáng)堿腐蝕、高力學(xué)性能和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，得到建筑工程領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。在土木建筑領(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[10]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。

2.1.2 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）磁場(chǎng)屏蔽。在某些需要屏蔽磁場(chǎng)的土木建筑項(xiàng)目中，如工業(yè)建筑、機(jī)房、變電站等，為使建筑物具備屏蔽功能，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)[11]。

（2）應(yīng)變自感應(yīng)。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)。以往的混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)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。此外，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)，也可促進(jìn)受損位置的自愈合[12]。

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)，在地下連續(xù)墻鋼筋籠、預(yù)應(yīng)力鋼筋等領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更大。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。纖維聚合物筋具備高強(qiáng)的性能，服役過(guò)程中載荷的施加不但能充分發(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 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料

在土木建筑工程加固領(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。以纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的加固方式主要是通過(guò)樹(shù)脂黏合劑將纖維復(fù)合片材粘貼在待修補(bǔ)構(gòu)件表面，使復(fù)合材料與結(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)的粘鋼加固方法，纖維復(fù)合片材加固方式不僅避免了易腐蝕、穩(wěn)定性欠佳的缺點(diǎn)，其施工過(guò)程更為便捷，在不增加額外的自重與截面面積的同時(shí)，有效增強(qiáng)了構(gòu)件的承載能力，且能適應(yīng)不同的加固環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，纖維復(fù)合片材加固方式通常用于受彎、受剪及抗震等不同工況[13]。

3 結(jié)束語(yǔ)

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)土木建筑領(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，如纖維復(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、應(yīng)用成本較高、回收問(wèn)題未得到關(guān)注等，仍需對(duì)其進(jìn)行更多的研究，以克服存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提高其在建筑工程中的應(yīng)用效果。