- 相關(guān)推薦
纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用
摘要：針對土木和建筑工程的發(fā)展趨勢，探討纖維復(fù)合材料在土木和建筑工程中應(yīng)用的優(yōu)勢。介紹了國內(nèi)外纖維復(fù)合材料在土木和建鞏A-A-J- 中應(yīng)用的進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：纖維復(fù)合材料，土木工程，建筑工程，應(yīng)用
0、引言
建筑工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位，不論是哪一個國家建筑工業(yè)都是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著社會的進(jìn)步，人們對居住面積、房屋質(zhì)量和娛樂設(shè)施等提出越來越高的要求，已成為推動建筑工業(yè)改革發(fā)展的動力。建筑工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向是：改善施工條件、加快建設(shè)進(jìn)度、降低成本、提高質(zhì)量、節(jié)約能源、減少運(yùn)輸、保護(hù)耕地、保護(hù)環(huán)境和提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等。為了達(dá)到此目的，必須改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料?。
隨著軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來的纖維復(fù)合材料，由于具有良好而獨(dú)特的性能，適應(yīng)了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高聳、重載、高強(qiáng)和輕質(zhì)方向的發(fā)展，在土木建筑工程中的應(yīng)用日益擴(kuò)大。纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩類：一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如粱、柱、骨架結(jié)構(gòu)等;另一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等膜構(gòu)件材料 J。纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)建筑材料應(yīng)用于土木建筑工程，既為紡織行業(yè)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域，注入了新的活力，同時也為土木建筑業(yè)解決一些技術(shù)難題如能耗大、不利于環(huán)境保護(hù)等提供了新的途徑。
本文闡述纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的特點(diǎn)極其應(yīng)用等，為紡織品在該類行業(yè)的推廣提供參考。
1、土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)土木建筑工程中纖維復(fù)合材料有如下幾方面特點(diǎn)。
(1)材料性能的可設(shè)計性：纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時，由于其是基體材料和增強(qiáng)材料等組分材料的組合，既可保持原組分材料的某些特點(diǎn)，又能發(fā)揮組合后的新特性，且可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計，以滿足單一材料無法達(dá)到的性能要求。
(2)高的比強(qiáng)度和比剛度：一些纖維復(fù)合材料如碳纖維T300/環(huán)氧樹脂5208的比強(qiáng)度是鋁材的6.3倍、鋼材的5倍，比剛度為鋁材的4。16倍，因此纖維復(fù)合材料是一類輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料。
(3)抗疲勞性能好：一般金屬的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的40% ～50% ，而某些纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70% ～80% ，具有良好的抗疲勞性能。
(4)良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性：傳統(tǒng)建筑材料如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使土木工程不能發(fā)揮應(yīng)有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復(fù)合材料是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制作的設(shè)備或構(gòu)件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力。
(5)良好的抗震性能：纖維復(fù)合材料相對傳統(tǒng)建筑材料自振頻率甚高，不易出現(xiàn)共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象;同時因為其存在大量的界面，振動阻尼性也很大，一旦激起振動，衰減也快。
(6)過載安全性好：在纖維復(fù)合材料中，由于有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)過載時復(fù)合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構(gòu)件在瞬間喪失承載能力而斷裂。
(7)高美學(xué)欣賞性：纖維復(fù)合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)型式和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。
(8)結(jié)構(gòu)功能/智能化：在土木建筑工程中應(yīng)用智能纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)具有一定的智能功能。例如美國人在建筑物中使用智能復(fù)合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長，達(dá)到了建筑物結(jié)構(gòu)噪聲與振動的主動控制 J。
2、纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用
2.1 纖維材料增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用在建筑業(yè)中，混凝土是一種不可或缺的材料，它的用量也較大，一般多以鋼筋來增強(qiáng)，但由于鋼筋本身易受酸堿作用產(chǎn)生腐蝕，從而對混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的混凝土產(chǎn)品。
纖維混凝土是在對混凝土的創(chuàng)新過程中應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)品，最早使用的多為鋼纖維、玻璃纖維和維綸增強(qiáng)混凝土。目前使用的較為新型的有碳纖維、芳綸和丙綸混凝土。在纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維用來充當(dāng)增強(qiáng)材料，纖維的本身性能如強(qiáng)度、模量、斷裂長度等和纖維在此中的空間結(jié)構(gòu)、體積含量等都決定著混凝土的性能。纖維增強(qiáng)混凝土分為短纖維增強(qiáng)混凝土和長纖維增強(qiáng)混凝土。
短纖維增強(qiáng)混凝土中的纖維一般切成幾毫米至幾十毫米長度，隨機(jī)摻人砂漿基材之中，可以替代或部分替代鋼筋。與傳統(tǒng)混凝土相比，它的拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度大，防裂性能好，多用于內(nèi)外裝飾板材和部件。長纖維增強(qiáng)混凝土多采用連續(xù)碳纖維、芳綸等制成棒狀、網(wǎng)狀或三維異型織物，用環(huán)氧樹脂或乙烯酯樹脂制成纖維增強(qiáng)塑料骨架，以替代鋼筋構(gòu)成新型復(fù)合混凝土材料，常用作墻板、護(hù)墻板和主體建筑物。一般來說，長纖維增強(qiáng)混凝土的性能優(yōu)于短纖維增強(qiáng)混凝土。
2.1.1 常用各種不同類型纖維混凝土的特點(diǎn)傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)隨著時間的推移，其腐蝕、劣化問題不斷發(fā)生，其中以鋼材銹蝕最為常見。這不僅影響到工程結(jié)構(gòu)的正常使用和壽命，還會產(chǎn)生工程安全事故及隱患。鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應(yīng)用有限;玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高于鋼筋，其重量只有鋼筋的四分之一，受水泥和海水的侵蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼筋，但玻璃纖維易折斷，不耐堿，應(yīng)用有污染;丙綸加工工藝簡單，價格低廉，性能優(yōu)異，丙綸增強(qiáng)混凝土很好地解決了建筑生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，避免和減少了鋼材銹蝕事故的發(fā)生，近年來得到推廣應(yīng)用。碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高硬度的多種特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，導(dǎo)電導(dǎo)磁，能耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結(jié)良好，但碳纖維因為導(dǎo)電導(dǎo)磁有些建筑不能應(yīng)用，且碳纖維成本較高;芳綸輕質(zhì)高強(qiáng)，柔韌性好，力學(xué)性能介于碳纖維和玻璃纖維之間，而且是電場、磁場的絕緣體，不會對電場、磁場產(chǎn)生干擾，但芳綸價格也高。新型纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用逐漸增多。
2.1.2 功能、智能纖維混凝土隨著社會和科技的發(fā)展，混凝土材料不僅要承受荷載，還要適應(yīng)多功能和智能建筑的需求。纖維復(fù)合材料應(yīng)用于功能/智能混凝土主要有：屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料、水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料、應(yīng)變自感應(yīng)混凝土、溫差水泥基復(fù)合材料、自修復(fù)混凝土、導(dǎo)電水泥混凝土等。
(1)屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料：為了使路面和建筑物具有屏蔽磁場的功能，一般采用在混凝土中加入別針形的鋼纖維來達(dá)到屏蔽作用。研究結(jié)果表明，在混凝土中摻人5% (體積)的鋼質(zhì)別針即可獲得較好的屏蔽磁場效果。
(2)水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料：這種纖維水泥復(fù)合材料是在水泥基中加入纖維(如碳、鋁、鋼等)來獲得屏蔽電磁波的功能。日本學(xué)者采用纖維氈作為吸附電磁波的功能組分，制作了輕質(zhì)兼有防震功能且對電磁波吸收可達(dá)90% 以上的幕墻。
此外，文獻(xiàn)表明該類型纖維復(fù)合材料不僅有屏蔽電磁波的功能，還能用于近年發(fā)展起來的智能交通系統(tǒng)導(dǎo)航。
(3)應(yīng)變自感應(yīng)混凝土：該類型纖維混凝土是將碳纖維等物質(zhì)均勻分散摻入到水泥基材中，使其具有自感知其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。如美國學(xué)者將短切碳纖維摻入混凝土材料中，使其可以敏感有效地監(jiān)測拉、彎、壓等各種狀態(tài)下材料的內(nèi)部情況。
(4)溫差水泥基復(fù)合材料：該材料的制備機(jī)理是將切短的碳纖維適量摻入混凝土材料中使其具有熱電效應(yīng)，利用這種混凝土材料能實時監(jiān)測建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。
(5)自修復(fù)混凝土：該混凝土將含有粘結(jié)劑溶液的玻璃空心纖維混入混凝土，混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂后，玻璃空心纖維就會破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，達(dá)到愈傷的效果。此外，美國還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物)為基體材料，其中加入多孑L的編織纖維網(wǎng)，利用多孑L纖維在水泥水化和硬化過程中釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化，使纖維網(wǎng)的表面形成大量互相穿插粘結(jié)的有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)，制成類似動物骨骼結(jié)構(gòu)的無機(jī)有機(jī)相結(jié)合的復(fù)合材料。同時當(dāng)混凝土發(fā)生損傷時，多孑L有機(jī)纖維會釋放聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，使損傷愈合。
(6)導(dǎo)電水泥混凝土：在水泥基體中摻入適量纖維導(dǎo)電材料碳纖維或金屬纖維，不僅可以使水泥基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，還能改善它的力學(xué)性能，增加延展性。導(dǎo)電水泥混凝土可應(yīng)用于工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)，道路路面處的化雪除冰，住宅的電熱結(jié)構(gòu) 。
2.2 纖維復(fù)合材料的涂層織物在建筑材料方面的應(yīng)用涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得的復(fù)合材料。作為底布的織物起著骨架的作用，承擔(dān)著復(fù)合材料的抗張強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力、尺寸穩(wěn)定性等方面的功能;涂層劑則承擔(dān)著保護(hù)底布組織以及表面特性(如防水、耐蝕)的職能�；际峭繉涌椢锏墓羌埽男阅苡绊懼罱K產(chǎn)品的性能�；甲畛醵嘤妹蘅椢�，但由于棉織物易霉、怕腐蝕，布身重，使用壽命短，故隨著化纖業(yè)的發(fā)展逐漸棄用，開始大量采用維綸、滌綸、錦綸等，芳綸、玻璃纖維制作基布效果也較為理想，但因成本高不宜于大量使用。在制成織物上，實際應(yīng)用中仍以機(jī)織物為多。這是由于機(jī)織物的拉伸強(qiáng)度和模量比較高，斷裂伸長小，具有較好的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，且織物受外力后抗變形能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時孔徑均勻，孔隙尺寸易控制。涂層劑的選擇品種很多，它賦予涂層織物以不同的性能，比如有機(jī)硅可使涂層織物具有透濕性，同時又具有防水性;聚丙烯酸酯涂層劑則有良好的耐光熱性。所以應(yīng)根據(jù)涂層織物的應(yīng)用場合不同，選擇涂層劑。涂層織物在建筑中主要用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂?shù)?。
(1)膜結(jié)構(gòu)建筑材料：涂層織物重量輕，易安裝、拆移，結(jié)構(gòu)輕巧美觀，經(jīng)久耐用，且具有一定的保溫性，是一種新興的建筑材料，具有傳統(tǒng)建筑材料不可比擬的優(yōu)越性。用涂層織物作膜結(jié)構(gòu)建筑材料，對于增強(qiáng)房屋功能，延長建筑物使用壽命具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。
(2)篷蓋布：早期的篷蓋布由于采用棉織物為基布，易老化，使用壽命短，不能適應(yīng)多功能的要求，化纖/合纖涂層織物具有更優(yōu)的特性，如滌長絲篷蓋布材料輕薄、軟質(zhì)、堅牢、防水、阻燃 防霉，競爭優(yōu)勢明顯 。
(3)軟性屋頂：用涂層織物作建筑物的屋頂在國內(nèi)外已屢見不鮮。最早的軟性屋頂始于上世紀(jì)50年代末的德國，其后獲得快速發(fā)展，如：美國紐約世博會、沙特佳大赫海奇機(jī)場都大量使用了軟性屋頂。軟性屋頂一般分為兩種方式：一種為帳篷式，一種為充氣式。特別是充氣式屋頂(采用風(fēng)機(jī)充氣后密封，當(dāng)氣壓不足時可自動充氣)，柔軟，流動性好，具有可變形的特點(diǎn)，且不用柱子支撐，對于抵抗強(qiáng)風(fēng)的破壞作用性能極佳。隨著織物生產(chǎn)工藝的發(fā)展，作為基布的織物強(qiáng)力提高，對擴(kuò)大軟性屋項的應(yīng)用有很好的幫助。比如用高強(qiáng)滌綸布作軟性屋頂，其充氣房屋跨度為75 m，如能提高織物的強(qiáng)力，它的跨度可達(dá)150 m，面積顯著增大 。
2.3 纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料上的應(yīng)用纖維復(fù)合材料應(yīng)用于土木建筑工程中的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料主要采用纖維片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)形式。所謂連續(xù)纖維片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)是指在現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)物的表面用樹脂粘合劑粘貼定向排列的連續(xù)纖維片材，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達(dá)到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固及改善受力性能的一種結(jié)構(gòu)外部加固技術(shù) 。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料是鋼板，它自重大、施工不便且耐腐蝕性差、易老化�，F(xiàn)在土木建筑工程中結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料通常使用的纖維是碳纖維和芳綸。碳纖維適合鋼筋混疑土建筑物結(jié)構(gòu)變更、使用荷重增加、強(qiáng)度不足、抑制裂縫延長等的加固維修工程;芳綸柔韌性好，更適合纏繞修補(bǔ)、增強(qiáng)柱狀結(jié)構(gòu)等。連續(xù)纖維片材結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料與傳統(tǒng)的粘鋼板技術(shù)相比，其加固技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，表現(xiàn)為：
(1)高強(qiáng)高效：由于纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，可在對原結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響的情況下大大提高被加固構(gòu)件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震性能;(2)施工方便、質(zhì)量和工效高：纖維質(zhì)輕性柔，可手工纏繞在混凝土表面而無須使用大型機(jī)具，也不需要焊接，無濕作業(yè)，噪聲及灰塵極小;(3)防護(hù)、維護(hù)性能好：由于纖維復(fù)合材料往往具有很好的耐腐蝕及耐久性能，可抵抗各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。用該加固技術(shù)對結(jié)構(gòu)處理后，不僅不需要定期維護(hù)，而且對內(nèi)部混凝土起到了保護(hù)作用 ;(4)適用面廣：由于復(fù)合材料片材較柔軟，可用于各種結(jié)構(gòu)形狀和各種結(jié)構(gòu)類型建筑物的修補(bǔ)，達(dá)到不改變結(jié)構(gòu)形式又不影響結(jié)構(gòu)外觀的效果;(5)有利于實現(xiàn)智能化：如用碳纖維片材作加固材料，可根據(jù)加固修復(fù)部位導(dǎo)電性能的變化情況，實現(xiàn)對該部位的安全檢測與診斷。瑞士已成功運(yùn)用纖維復(fù)合材料對損壞的跨長39 m的伊巴赫橋進(jìn)行加固，使其滿足了承載力的要求。日本也廣泛采用了這項技術(shù)對受損橋梁及建筑進(jìn)行了加固，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋以及南京長江大橋引橋等，也都采用了環(huán)氧樹脂粘貼玻璃布形成玻璃鋼的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。研究表明，用先進(jìn)復(fù)合材料板代替鋼板加固混凝土梁可節(jié)約資金25% 。
3、結(jié)束語
建筑材料的發(fā)展在建筑中占有極其重要的地位，隨著紡織工藝技術(shù)的發(fā)展，纖維復(fù)合材料作為一類新興的先進(jìn)材料，在建筑業(yè)中的應(yīng)用必將越來越廣泛。
用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的纖維復(fù)合材料中常見的碳纖維、芳綸和玻璃纖維中，從各方面性能來看，碳纖維應(yīng)優(yōu)先采用。不論是碳纖維布，或是碳纖維索，在工程中應(yīng)用都是較合適的。而且，現(xiàn)階段碳1途徑和方式，不僅可用于建筑結(jié)構(gòu)或是橋梁結(jié)構(gòu)的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結(jié)構(gòu)加固。
雖然現(xiàn)階段利用碳纖維復(fù)合材料對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固已經(jīng)取得了極大的成就，但是由于碳纖維材料應(yīng)用時間較短，以及它與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間結(jié)合面的復(fù)雜性，使研究工作面臨許多困難。研究方法的單一，假設(shè)條件過多等原因都使研究的結(jié)果比較粗糙，與實際情況有很大差別，這也限制了碳纖維材料在更多的領(lǐng)域里充分發(fā)揮自身的優(yōu)越性能，這些問題都有待于進(jìn)一步的探討。
參考文獻(xiàn)
[1] 洪杰。紡織復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用[J].陜西紡織，2005，2(66)：4547.
[2] 鄧炳耀，晏雄。紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計與應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報，2005(9)：35-39.
[3] 王騰，郭燕坤。纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)展[J].紡織科技進(jìn)展，2006(2)：14.16.
[4] 康軍紅，劉曉峰。碳纖維復(fù)合材料在閘墩混凝土裂縫處理中的應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2006(2)：28.29.
[5] ROYE A，GILE T.經(jīng)編間隔織物制作的新型纖維增強(qiáng)紡織復(fù)合材料[J].國際紡織導(dǎo)報，2006(12)：34-35.
【纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用】相關(guān)文章：
粘彈性模型在聚酯纖維瀝青混凝土中的應(yīng)用03-07
淺談玻璃纖維樁在前牙修復(fù)中的臨床應(yīng)用03-04
玄武巖纖維增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料研究11-14
論鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用11-19