土木建筑工程中纤维复合材料应用概述

侯剑飞

(北京华宏工程咨询有限公司，北京100000)

建筑工业是国民经济的支柱产业之一.社会的进步已成为推动建筑工业改革发展的动力.建筑工业现代化的发展方向之一便是可持续.因此，改善现有的建筑材料和发展新型建筑材料就是建筑工业现代化的一个重要发展方向.

随着军工生产与航空航天而发展起来的纤维复合材料，由于具有良好而独特的性能，适应了现代工程结构向大跨度、高耸、重载、高强和轻质方向的发展，在土木建筑工程中的应用日益扩大.纤维复合材料在建筑领域的应用主要分为两类:一类是刚性复合材料构件，如梁、柱、骨架结构等;另一类则是柔性复合材料构件，如体育馆、停车场和车站的屋顶、野营帐篷等膜构件材料.纤维复合材料替代传统建筑材料应用于土木建筑工程，为土木建筑业解决一些技术难题如能耗大、不利于环境保护等提供了新的途径.

1 土木建筑工程中纤维复合材料的特点

土木建筑工程中纤维复合材料有如下几方面特点.

(1)材料性能的可设计性:纤维复合材料作为结构材料应用时，由于其是基体材料和增强材料等组分材料的组合，既可保持原组分材料的某些特点，又能发挥组合后的新特性，且可根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求.

(2)高的比强度和比刚度:一些纤维复合材料，如碳纤维T300/环氧树脂5208的比强度是铝材的6.3倍、钢材的5倍，比刚度为铝材的4.16倍，因此纤维复合材料是一类轻质高强建筑材料.

(3)抗疲劳性能好:一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40% ～50%，而某些纤维复合材料的疲劳强度可达其拉伸强度的70% ～80% ，具有良好的抗疲劳性能.

(4)良好的抗化学反应和化学腐蚀性:传统建筑材料如钢筋等不耐腐蚀，尤其在近海工程中，较易与工程周围的空气、海水以及污水中的化学物质发生反应，使土木工程不能发挥应有的作用而引起巨大的损失.而大部分纤维复合材料是优良的耐腐蚀材料，用其制作的设备或构件一般具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力.

(5)良好的抗震性能:纤维复合材料相对传统建筑材料自振频率甚高，不易出现共振，且在通常加载速度和频率条件下不容易出现因共振而快速脆断的现象;同时因为其存在大量的界面，振动阻尼性也很大，一旦激起振动，衰减也快.

(6)过载安全性好:在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂，载荷都会迅速重新分配到未被损坏的纤维上，不至于造成土木建筑工程中的构件在瞬间丧失承载能力而断裂.

(7)高美学欣赏性:纤维复合材料组分中的材料纤维是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构型式和材料美学的高度统一.

(8)结构功能/智能化:在土木建筑工程中应用智能纤维材料，还可以使结构具有一定的智能功能.例如美国人在建筑物中使用智能复合材料制作的梁，在热电控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长，达到了建筑物结构噪声与振动的主动控制.

2 纤维复合材料在建筑行业中的应用

2.1 纤维材料增强混凝土的应用

在建筑业中，混凝土是一种不可或缺的材料，它的用量也较大，一般多以钢筋来增强，但由于钢筋本身易受酸碱作用产生腐蚀，从而对混凝土造成破坏，因此有必要寻求新的混凝土产品.纤维混凝土是在对混凝土的创新过程中应运而生的一种产品，最早使用的多为钢纤维、玻璃纤维和维纶增强混凝土.目前使用的较为新型的有碳纤维、芳纶和丙纶混凝土.在纤维增强混凝土中，纤维用来充当增强材料，纤维的本身性能如强度、模量、断裂长度等和纤维在此中的空间结构、体积含量等都决定着混凝土的性能.钢纤维由于成本高，易腐蚀，应用有限;玻璃纤维的拉伸强度高于钢筋，其重量只有钢筋的四分之一，受水泥和海水的侵蚀远远低于钢筋，但玻璃纤维易折断，不耐碱，应用有污染;丙纶加工工艺简单，价格低廉，性能优异，丙纶增强混凝土很好地解决了建筑生产中出现的问题，避免和减少了钢材锈蚀事故的发生，近年来得到推广应用.碳纤维具有低密度、高强度、高硬度的多种特点，抗拉强度和弹性模量高，导电导磁，能耐恶劣环境，耐磨损，耐高温，与混凝土粘结良好，但碳纤维因为导电导磁有些建筑不能应用，且碳纤维成本较高;芳纶轻质高强，柔韧性好，力学性能介于碳纤维和玻璃纤维之间，而且是电场、磁场的绝缘体，不会对电场、磁场产生干扰，但芳纶价格也高.新型纤维增强混凝土的应用逐渐增多.

随着社会和科技的发展，混凝土材料不仅要承受荷载，还要适应多功能和智能建筑的需求.纤维复合材料应用于功能/智能混凝土主要有:屏蔽磁场水泥基复合材料、水泥基屏蔽电磁波复合材料、应变自感应混凝土、温差水泥基复合材料、自修复混凝土、导电水泥混凝土等.

2.2 纤维复合材料的涂层织物在建筑材料方面的应用

涂层织物是在织物上覆盖一层高分子涂层剂或其他材料而得的复合材料.作为底布的织物起着骨架的作用，承担着复合材料的抗张强力、撕裂强力、尺寸稳定性等方面的功能;涂层剂则承担着保护底布组织以及表面特性(如防水、耐蚀)的职能.基布是涂层织物的骨架，它的性能影响着最终产品的性能.基布最初多用棉织物，但由于棉织物易霉、怕腐蚀，布身重，使用寿命短，故随着化纤业的发展逐渐弃用，开始大量采用维纶、涤纶、锦纶等，芳纶、玻璃纤维制作基布效果也较为理想，但因成本高不宜于大量使用.在制成织物上，实际应用中仍以机织物为多.这是由于机织物的拉伸强度和模量比较高，断裂伸长小，具有较好的应力—应变关系，且织物受外力后抗变形能力强，结构稳定，同时孔径均匀，孔隙尺寸易控制.涂层剂的选择品种很多，它赋予涂层织物以不同的性能，比如有机硅可使涂层织物具有透湿性，同时又具有防水性;聚丙烯酸酯涂层剂则有良好的耐光热性.所以应根据涂层织物的应用场合不同，选择涂层剂.涂层织物在建筑中主要用作膜结构建筑材料、篷盖布、软性屋顶等.

2.3 纤维复合材料在结构补强材料上的应用

纤维复合材料应用于土木建筑工程中的结构补强材料主要采用纤维片材修补、补强形式.所谓连续纤维片材修补、补强是指在现有混凝土结构物的表面用树脂粘合剂粘贴定向排列的连续纤维片材，通过其与结构或构件的协同工作，达到对结构构件补强加固及改善受力性能的一种结构外部加固技术.传统的结构补强材料是钢板，它自重大、施工不便且耐腐蚀性差、易老化.现在土木建筑工程中结构补强材料通常使用的纤维是碳纤维和芳纶.碳纤维适合钢筋混疑土建筑物结构变更、使用荷重增加、强度不足、抑制裂缝延长等的加固维修工程;芳纶柔韧性好，更适合缠绕修补、增强柱状结构等.连续纤维片材结构补强材料与传统的粘钢板技术相比，其加固技术具有明显的技术优势，表现为:

(1)高强高效:由于纤维复合材料轻质高强等优异的物理力学性能，可在对原结构几乎没有影响的情况下大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震性能;

(2)施工方便、质量和工效高:纤维质轻性柔，可手工缠绕在混凝土表面而无须使用大型机具，也不需要焊接，无湿作业，噪声及灰尘极小;

(3)防护、维护性能好:由于纤维复合材料往往具有很好的耐腐蚀及耐久性能，可抵抗各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀.用该加固技术对结构处理后，不仅不需要定期维护，而且对内部混凝土起到了保护作用;

(4)适用面广:由于复合材料片材较柔软，可用于各种结构形状和各种结构类型建筑物的修补，达到不改变结构形式又不影响结构外观的效果;

(5)有利于实现智能化:如用碳纤维片材作加固材料，可根据加固修复部位导电性能的变化情况，实现对该部位的安全检测与诊断.瑞士已成功运用纤维复合材料对损坏的跨长39m的伊巴赫桥进行加固，使其满足了承载力的要求.日本也广泛采用了这项技术对受损桥梁及建筑进行了加固，取得了明显的经济效益.国内湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥以及南京长江大桥引桥等，也都采用了环氧树脂粘贴玻璃布形成玻璃钢的方法进行补强加固.研究表明，用先进复合材料板代替钢板加固混凝土梁可节约资金25%.

3 结束语

建筑材料的发展在建筑中占有极其重要的地位，随着纺织工艺技术的发展，纤维复合材料作为一类新兴的先进材料，在建筑业中的应用必将越来越广泛.

用于结构补强材料的纤维复合材料中常见的碳纤维、芳纶和玻璃纤维中，从各方面性能来看，碳纤维应优先采用.不论是碳纤维布，或是碳纤维索，在工程中应用都是较合适的.而且，现阶段碳纤维增强材料应用于混凝土结构加固是最合适的途径和方式，不仅可用于建筑结构或是桥梁结构的承载力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的结构加固.

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