土木工程中复合材料的发展及其应用

刘敏

摘 要：复合材料属于纤维性材料，应用于土木工程建设中，体现出独到的优势，提高了土木工程施工质量，而且也能节省成本，达到节能环保施工目标。本文首先分析了复合材料的发展历程，然后，分析了其在土木工程中的应用。

关键词：土木工程；复合材料；发展；应用

随着现代工程技术的发展，复合材料在土木工程建设中得到了应用，并已经逐渐成为一项成熟的技术，目前，整个世界都已经编制了成熟的技术规范和规程，各类复合材料，例如：玻璃纤维、碳纤维等得到了普及、发展和应用，事实证明应用的优势效果十分明显。

一、复合材料的发展概况

复合材料主要指的是纤维增强材料。其主体成分为纤维，具体包括：玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶、树脂等，各类材料按照科学的比例调配在一起，利用特定工艺逐步形成全新的结构材料。该材料已经被应用到土木工程的各个领域，也对应出现了各种新型结构。

总的来看，复合材料在实际应用中体现出：质地轻、强度高、可塑性强、便于施工、抗腐蚀等特性。将其应用在建筑钢混结构中，能够有效发挥其优势功效。

自20世纪50年代开始，复合材料就已经率先用在一些工民建工程中，该材料在土木工程中的应用最早起源于西方发达国家，例如：早在1970年，英国教堂的园顶构造就应用了复合材料，形成了美观、牢固的教堂顶端构造。随着该技术的不断发展，也被世界其他国家的土木工程建设所应用，例如：建筑跨度结构、桥梁桥面工程、建筑构件等，事实证明取得了良好效果。

二、土木工程中复合材料的应用

（一）工程结构牢固补强

让复合材料牢固黏着、牢固于工程构件表层，以此来强化该结构部件的强度，提升其受力性。该方法产生于上个世纪80年代，最早西方发达国家应用，经历了不断发展、完善的过程，事实证明发挥着优势补强作用，随后该技术在中国建筑工程结构部件牢固补强中得以应用，效果明显。具体的粘贴牢固补强主要包括：

第一，复合材料布缠牢固。主要用在砼柱或梁，凭借布缠绕来控制砼柱变形，提升其强度、抗震性能、抗剪能力等。具体的加固效果和砼柱形态以及截面形状密切相关，如果是长方形截面，通常可以有效提升其抗剪能力、变形能力等。相反，对于弧状的截面，其受压承载力将大大提升。第二，复合材料片材附着于梁、板拉面。这种方式能有效增强梁、板受拉面的抗弯承载力，缓解裂缝，达到牢固稳定的目的，然而，总的来看，其中依然存在不足方面，例如：受拉面的抗弯效果同初始的配筋梁密切相关，复合材料的加固作用未得以充分发挥。此外，复合材料片材也用于建筑梁、柱构件的加固以及剪力墙加固中，同时，也用于建筑工程钢结构、木构造等的牢固补强中，发挥了积极的作用。

（二）复合材料组合结构

该结构的主要应用原理为：让各个类型、各个形式的复合材料制品同混凝土、钢材等混合起来，发挥混合材料中各类成分的优势，达到整体上最优、最牢固的结构系统。复合材料通常质地优良、性能优、可塑性强，可以打造出各类构造，根据所需形成多种组合结构，具体包括：

1）复合材料钢混组合结构。将空心钢管安装在构件中心区域，在外围包裹一层复合材料，再将砼灌注于二者中间，此时的建筑结构中，空心钢管成为框架结构，包裹的复合材料则充当模板，不仅牢固了钢管，也保护了其免遭腐蚀，也使得混凝土得以加固、牢固，控制了混凝土变形、提升了其承载力。2）复合材料混凝土组合梁。该结构的原理为：依托于组合作用，让处于下方的复合材料承受拉力，上方混凝土受到压力，在组合力下，复合材料与混凝土协调配合，打造出一个高强度、高性能的剪力链接构造。在这一组合原理下，复合材料的优势功能得以发挥。3）复合材料铝合金组合结构。按照组合牢固加工的原理，根据相关设计让复合材料围在铝合金管材的外层，二者同步配合，充分发挥共有的优势，增强了构件强度、抗腐蚀、经久耐用等。而且铝合金具有一定的柔韧性，弥补了复合材料碎脆的特性。事实证明该组合构件更加适用于建筑工程中大跨度空间构造内。

（三）全复合材料结构

1）复合材料桥面。桥梁桥面施工中，选择复合材料充当其面层构造，能够达到控制桥体支撑构造、下端构造内力的作用，而且能够有效防范各种外力因素、环境因素等对桥面的不良侵蚀。通常由复合材料构成的桥面板占整个桥面的25%-30%，这样不仅减轻了桥面构造自身质量和重量，也能确保其长期使用。

2）复合材料编织网结构。该结构主要原理为：遵循特点的规律、规程，来将复合材料板条逐一排列，最后相互间编织起来，再实施整体张拉，最终打造出一个相对具有韧性、柔韧度的编织网构造。此构造集中应用了复合材料的优质性能，例如：质地轻、高强度、柔韧性等，通常用在大跨度建筑屋顶中，或者用在一些工業建筑结构施工中。

3）复合材料曲面构造。因为复合材料体现出良好的可塑性、韧性、灵活性，基于此可以对通过对复合材料进行优化改良、改造，最终形成想要的曲面构造。例如：对复合材料进行深加工，可以形成丰富多彩的几何形状、多样的空间立体结构，而且还能够凭借局部构造的完善与修理，使得构造形状走向完善，按照功能所需塑造其形状、结构，最终打造出一个高质量的曲面构造。以往的普通建材无法达到这一效果，而且实际的塑造需要花费大量的经费，增加了曲面结构设计成本。

4）抗腐蚀复合材料。环保、节能社会背景下，为了达到环保目标，一些污染处理结构得到了发展与应用，为了提高这些构造物抗腐蚀、耐腐蚀的性能，就必须采用先进的结构材料，此时，复合材料应用其中效果明显，例如：污水处理厂的作业平台等，在海洋工程方面，常将复合材料用在船体构造中，发挥其耐海盐腐蚀的优势。

三、总结

复合材料作为一种全新的结构材料应用于土木工程建设中，能够发挥多方面的优势，提高工程施工建设效率，提升工程质量，优化并改善工程结构。

参考文献：

[1] 蔡国宏.先进复合材料在桥梁中的应用现状和发展前景.高新技术专题报道：中国交通，2010，23（11）.

[2] 冯鹏，叶列平，盂鑫淼.FRP加固与增强金属结构的研究进展[C].第22届全国结构工程学术会议论文集第1册，2013.

[3] 岳清瑞.我国碳纤维（CFRP）加固修复技术研究应用现状与展望[J].工工业建筑，2000，30（10）：23-26.