纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用

羅嘉源

(山西六建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各界對建筑工程的綜合質(zhì)量提出更高的要求，例如在保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的前提下，減少能源消耗，追求良好的生態(tài)環(huán)境效益。升級建筑材料是提高建筑綜合質(zhì)量的重要途徑，其中纖維復(fù)合材料頗具代表性，適應(yīng)于大跨度、高強度的土木建筑工程。為此，深入研究纖維復(fù)合材料的特性及其應(yīng)用方式具有重要意義，發(fā)揮出纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，促進(jìn)土木建筑工程的發(fā)展。

1 纖維復(fù)合材料的特點

1.1 高強度、輕質(zhì)化

鋼筋、混凝土等傳統(tǒng)建筑材料的強度和剛度較高，但自重較重，對建筑基礎(chǔ)的建設(shè)質(zhì)量提出較高的要求，建筑設(shè)計和施工的難度高。相比之下，纖維復(fù)合材料除了強度和剛度良好外，還具有輕質(zhì)性，在同等建設(shè)規(guī)模下，重量僅為傳統(tǒng)建筑材料的1/2左右，將其用于土木建筑工程后，明顯減輕建筑的自重，降低對建筑基礎(chǔ)的要求，減輕建筑物的負(fù)擔(dān)和結(jié)構(gòu)的疲勞，有利于維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和提升建筑的耐久性。

1.2 防腐蝕、耐磨損

鋼筋、混凝土等傳統(tǒng)建筑材料在使用過程中可能發(fā)生腐蝕，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，尤其是在強酸堿環(huán)境或潮濕環(huán)境中，材料更易腐蝕。對于纖維復(fù)合材料，其采用特殊的樹脂基體和增強材料，原材料性質(zhì)可靠，組成的纖維復(fù)合材料具有防腐蝕性能，即便在強酸堿、潮濕的環(huán)境中應(yīng)用纖維復(fù)合材料，在長期使用過程中也不易發(fā)生腐蝕。并且，纖維復(fù)合材料還具有耐磨損的特點，進(jìn)一步保障了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。由于纖維復(fù)合材料的防腐蝕、耐磨損特點，其在惡劣的建筑工程環(huán)境中可以取得良好的應(yīng)用效果。

1.3 保溫隔熱

混凝土、磚石等傳統(tǒng)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，用于建筑工程后，存在熱量的積累或流失，不利于維持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，由于室內(nèi)溫度偏高或偏低，將高度依賴暖通空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，增加能源消耗。不同于傳統(tǒng)建筑材料的是，纖維復(fù)合材料因?qū)嵯禂?shù)低而具有良好的保溫隔熱性能，同時含有碳纖維、玻璃纖維等增強材料，在應(yīng)用此類材料后，將提升纖維復(fù)合材料的絕緣性能[1]。

1.4 靈活性

現(xiàn)代土木建筑工程更注重美觀性，需要針對性地設(shè)計材料的形態(tài)、尺寸，以建造獨具特色的建筑?；炷痢⒋u石等傳統(tǒng)建筑材料的使用方式相對單一，難以滿足建筑工程的個性化要求，而纖維復(fù)合材料具有靈活性，則可以根據(jù)建筑建設(shè)需要制作成各種形狀和尺寸的材料，還可向纖維復(fù)合材料中摻入某些外加材料，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的強度、剛度等性能。

2 纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用

2.1 在混凝土施工中的應(yīng)用

在混凝土中摻入纖維物質(zhì)后，能夠提升混合料的延伸性能和抗拉性能，各項性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 FRP力學(xué)性能指標(biāo)

在混凝土中摻入纖維復(fù)合材料后，提升混凝土的抗裂能力、抗沖擊性能、耐震性能，混凝土結(jié)構(gòu)有效抵御外部干擾，滿足耐久性的要求。常規(guī)混凝土的抗拉強度低、抗腐蝕性能弱，向其中摻入鋼、碳纖維等材料后，解決性能不足的問題，也可以設(shè)計出纖維增強混凝土、玻璃纖維混凝土等，滿足建筑工程的特殊要求。由于纖維復(fù)合材料的摻入，改善了混凝土的綜合性能，可吸收振動波，保證抗震效果。并且，由于纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)性，還可降低建筑結(jié)構(gòu)自重，加快施工速度。從拉伸強度的角度來看，纖維復(fù)合材料優(yōu)于鋼筋，而在同等建設(shè)規(guī)模下，纖維復(fù)合材料的重量僅為鋼筋的1/4左右，且兼具高強度、高硬度等性能[2]。

2.2 在結(jié)構(gòu)補強中的應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)加固中采用鋼板材料時，由于鋼板的抗腐蝕性能弱，隨著使用時間的延長，加固部位仍有可能出現(xiàn)異常。若采用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)，可提高強度，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。例如，在連續(xù)纖維板上粘貼樹脂膠粘劑，用于加固建筑結(jié)構(gòu)。在各類纖維材料中，碳纖維屬于典型材料，原因在于承重性能良好，在承受較大重量時仍維持穩(wěn)定，因此成為主體結(jié)構(gòu)增強、卷材修復(fù)中的重要材料。針對建筑結(jié)構(gòu)耐久性不足、安全隱患多等問題，可以采用纖維增強材料進(jìn)行補強處理，其中應(yīng)用較為廣泛的是芳綸纖維和碳纖維，原因在于纖維材料的性能可靠，質(zhì)量較輕，可降低施工難度，提升施工的靈活性。纖維復(fù)合材料的類型豐富，有纖維增強塑料模板、纖維增強粘合劑等材料可供選擇，滿足了不同類型建筑、不同特性建筑結(jié)構(gòu)的加固補強要求。

纖維復(fù)合材料適用于建筑結(jié)構(gòu)加固修補工程，例如在處理鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、強度不足等問題時均能夠取得良好的應(yīng)用效果。相比常規(guī)的粘貼鋼板結(jié)構(gòu)加固方式，纖維復(fù)合材料加固具有高強度、施工便捷、穩(wěn)定耐久等突出優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為如下幾方面。

1)纖維復(fù)合材料的強度高，質(zhì)量輕，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，大幅提升結(jié)構(gòu)的抗剪、抗彎、抗震等性能，且對原結(jié)構(gòu)自重的影響不大，無需考慮因加固補強材料的應(yīng)用而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)超重的問題。

2)纖維復(fù)合材料的施工便捷，以碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)為例，全程無需使用大型機(jī)械設(shè)備，僅由施工人員向預(yù)處理好的結(jié)構(gòu)人工纏繞材料即可，同時也減輕了混凝土結(jié)構(gòu)加固的噪音污染和粉塵污染。

3)纖維復(fù)合材料具有輕薄的特性，在加固建筑結(jié)構(gòu)時不會影響原結(jié)構(gòu)的形態(tài)、尺寸。

4)纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性良好，適用于潮濕、強酸堿等特殊環(huán)境，用纖維復(fù)合材料加固補強的結(jié)構(gòu)具有耐久性。并且，由于纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)加固補強中的長效性優(yōu)勢，還可減少后期的維護(hù)工作。

5)根據(jù)導(dǎo)電特性進(jìn)行質(zhì)量檢測，準(zhǔn)確評價纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用效果，便于管控加固質(zhì)量。

2.3 纖維聚合物筋

以芳綸纖維聚合物筋、碳纖維聚合物筋等為原材料，經(jīng)拉擠處理后制作成型的纖維聚合物筋具有可靠的拉伸性能和較高的強度，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)加固中能夠取得良好的應(yīng)用效果。纖維聚合物筋的拉伸性能曲線，如圖1所示。

圖1 FRP片材拉伸曲線

2.4 在結(jié)構(gòu)涂層中的應(yīng)用

涂層具有裝飾作用，用于建筑工程的涂層應(yīng)具有抗拉性能可靠、材質(zhì)穩(wěn)定、耐久、美觀等特點。纖維復(fù)合材料兼具防護(hù)作用和美化作用，可以用于封蓋屋頂、膜結(jié)構(gòu)建筑中，一方面防護(hù)建筑外圍結(jié)構(gòu)，另一方面通過形態(tài)、色澤的優(yōu)化來提升建筑的美感。

2.5 纖維復(fù)合材料橋面體系

橋梁工程可采用纖維復(fù)合材料，通過材料的高強度優(yōu)勢提高橋梁結(jié)構(gòu)的強度，也能夠使橋面具有足夠的承載性能，以保證橋梁的安全使用。相比常規(guī)橋梁施工材料，采用纖維復(fù)合材料建設(shè)的橋梁具有更高的動態(tài)荷載水平。涂料作為工程結(jié)構(gòu)施工中的重要材料，應(yīng)具有較高的強度和較強的張力，在當(dāng)前建筑工程的復(fù)合涂料類型中，以纖維復(fù)合材料頗具代表性，其能夠防護(hù)結(jié)構(gòu)表面以及改善結(jié)構(gòu)的表觀質(zhì)量。在承重結(jié)構(gòu)中應(yīng)用纖維復(fù)合材料時，可以根據(jù)工程建設(shè)要求加工成特定形狀的承重構(gòu)件，以滿足承重樓板、折疊板等結(jié)構(gòu)對于特殊形態(tài)的要求。在工業(yè)廠房建筑的地板和外墻施工中應(yīng)用纖維復(fù)合材料后，可以提升結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)條件特殊的工業(yè)廠房建筑中具有可行性[3]。

2.6 在承載結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在建筑承載結(jié)構(gòu)中采用纖維復(fù)合材料后，可在一定程度上替代鋼筋及混凝土，保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提升建筑的耐久性。在水壩、港口、公路等高質(zhì)量要求的土木工程中，可以采用纖維復(fù)合材料，既能夠提高結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，又可降低成本。而在建筑裝飾裝修領(lǐng)域，門窗、保溫板等也可以采用纖維復(fù)合材料，提升保溫隔熱性能[4]。

2.7 智能型纖維復(fù)合材料

新型混凝土材料包含智能混凝土、輕型混凝土等。其中，智能混凝土是以常規(guī)混凝土為基礎(chǔ)，根據(jù)強度、耐久性等要求摻入添加劑后制備而成的新型材料，具體細(xì)分為綠色混凝土、溫控混凝土等，更有效地滿足現(xiàn)代建筑對環(huán)境調(diào)控、節(jié)能環(huán)保的要求。智能混凝土包含屏蔽水泥基復(fù)合材料、溫差水泥基復(fù)合材料等，改善了常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)的局限性。例如，對于傳統(tǒng)材料抗電磁干擾能力弱的問題，可以采用磁場屏蔽復(fù)合材料予以解決，在此方面主要應(yīng)用的是智能光纖，保證磁場屏蔽效果。向水泥基材中混合碳纖維、鋼纖維等材料，制備的混合料能夠有效隔絕電磁波，改善混凝土性能。向普通混凝土中摻加碳纖維后，發(fā)揮出碳纖維的材料性能，形成“熱點”效應(yīng)新型材料，實現(xiàn)對建筑溫度、電力等資源的充分利用。而根據(jù)建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗破壞性、穩(wěn)定性、耐久性的要求，可以向混凝土中摻入導(dǎo)電纖維，將此類混合料應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)中，有助于消除結(jié)構(gòu)靜電，使結(jié)構(gòu)正常使用。除此之外，自感應(yīng)應(yīng)變混凝土、自修復(fù)混凝土均是現(xiàn)代建筑工程中較為主流的材料，隨著材料制備工藝和施工技術(shù)的升級，將在建筑工程中取得愈發(fā)廣泛的應(yīng)用。

3 纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用問題與建議

現(xiàn)階段，土建結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用纖維復(fù)合材料的實例較多，該材料已經(jīng)在部分建筑工程中取得良好的應(yīng)用效果，但關(guān)于纖維復(fù)合材料特性的理論研究以及材料實踐方式相對有限，例如利用纖維復(fù)合材料加固建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法較少，材料的適用范圍較窄，針對此類問題，提出如下發(fā)展建議。

1)提升纖維復(fù)合材料在特殊結(jié)構(gòu)加固中的可行性。在鋼結(jié)構(gòu)、木質(zhì)結(jié)構(gòu)的加固中，仍以傳統(tǒng)加固材料為主，纖維復(fù)合材料的應(yīng)用較少，因此需要進(jìn)行技術(shù)研究和實踐探索，提升纖維復(fù)合材料在此類結(jié)構(gòu)中的可行性。對于化工廠房及某些圍墻等防護(hù)工程，也可以考慮纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方式，但由于此類結(jié)構(gòu)的強度要求高，因此在應(yīng)用纖維復(fù)合材料時仍需做進(jìn)一步的研究，發(fā)揮出材料的高強度特性。

2)提升黏結(jié)膠的性能。在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用纖維復(fù)合材料時，通常采用黏結(jié)膠進(jìn)行黏結(jié)，因此除了纖維復(fù)合材料自身的特性外，黏結(jié)穩(wěn)定性也將影響最終的施工效果，例如纖維復(fù)合材料具有抗酸堿腐蝕、耐高溫、耐低溫等特性，即便材料自身滿足各項性能要求，但若黏結(jié)膠的穩(wěn)定性不足，也會影響最終的施工效果，表現(xiàn)出材料脫落或其它的問題。如此一來，提升黏結(jié)膠的性能則尤為重要，技術(shù)人員需要根據(jù)纖維復(fù)合材料的特性研究與之相適配的黏結(jié)膠，且還需做好黏結(jié)前的清理、黏結(jié)后的試驗檢測等工作。

3)深入研究黏結(jié)破壞面的特性。在外力作用下，組成纖維復(fù)合材料的各類原材料因受力狀態(tài)差異而出現(xiàn)多種形式的破壞，觀察纖維復(fù)合材料可以發(fā)現(xiàn)其斷裂情況較為復(fù)雜。為此，需要深入研究纖維復(fù)合材料黏結(jié)破壞面的特性，確定不同組成材料的受力性能，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，用性能可靠的原材料制作綜合質(zhì)量較高的纖維復(fù)合材料，降低斷裂的發(fā)生率，減小斷裂的影響范圍。

4)研究不同環(huán)境的加固工藝。嚴(yán)格控制溫度和濕度是保證纖維復(fù)合材料有效應(yīng)用的重要前提，根據(jù)工藝要求，建議環(huán)境溫度為5～35℃，相對濕度低于70%。但建筑工程施工環(huán)境復(fù)雜，在應(yīng)用纖維復(fù)合材料時可能遇到酷暑、嚴(yán)寒、強降雨等極端天氣，干擾正常施工，甚至影響纖維復(fù)合材料的應(yīng)用效果。因此，技術(shù)人員需要深入研究纖維復(fù)合材料的加固工藝，保證在各類特殊環(huán)境中仍能夠順利完成纖維復(fù)合材料的施工作業(yè)并且取得良好的材料應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

綜上所述，纖維復(fù)合材料在土建工程中取得廣泛應(yīng)用，可以起到加固結(jié)構(gòu)、減輕建筑自重、提升抗震性能、增強美觀性等作用。但纖維復(fù)合材料的施工要求高，施工細(xì)節(jié)多，可能因方法不當(dāng)或管控不到位而出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此，建議相關(guān)工程人員持續(xù)進(jìn)行技術(shù)研究，優(yōu)化纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方法，提升材料的性能，解決現(xiàn)存問題，提高該材料在土木建筑工程中的應(yīng)用水平。