复合材料在建筑工程中的应用

刘少杰 王剑

摘 要：复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法，在客观（微观）上组成具有新功能的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足建筑工程中各种不同的要求。

关键词：复合材料，基本特性，建筑工程

1 复合材料的基本特性

复合材料是由两种或两种以上不同性质的基本材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新功能特性的新型建筑材料。各种材料在性能上相互取长补短，产生一定的协同作用，使复合材料的综合性能优于原组织材料的单一性质，从而满足各种新型智能建筑的各种不同需求。

1.1 复合材料的构成及形态

复合材料由种类不同，性质差异很大的几种材料及其界面（相）层所组成，在结构上大多为多相固体材料，经过一定的设计及功能需要复合而成，通过复合效应获得原组份材料所不具备的性能或在性能上产生协同作用，在复合材料的意义层面上与几种物质简单的混合有着本质的区别。简而言之，复合材料是由连续基体相和分散增强相及相对应的界面相所构成。组成复合材料的增强体和基体有时候也被人们称作为增强相合基体相。另外，还有一种称作界面相，界面相是增强相和基体相两相之间存在的界面，由于它的特殊结构被称作复合材料中特殊的界面相。

1.2 复合材料的特性及分类

复合材料都是由于多种不同的相复合而成的材料，因此复合材料有着共同的一些特征，主要有以下三点：一是能够发挥利用各种组成材料的优点，使一种材料具有构造相所拥有的多种优良性能，使其具有天然材料所没有的综合性能；二是能够根据材料性能的需要进行设计和制造；三是可根据其所需形状进行设计，这样可以避免多次加工工序。当然，在一定条件下也会出现一些缺陷。在一些条件下，由于湿热、机械应力、紫外线、化学侵蚀的作用，会使得复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。

按照复合材料的来源分类，复合材料基本上可分为天然复合材料和人工复合材料两种。由于构成复合材料的基体不同，复合材料又可以分为树脂基、金属基和无机非金属基复合材料。按照复合材料中的增强体的形态分类又可分为颗粒增强、短纤增强、晶须增强、连续的长纤增强、多维编织布增强和三维编织体增强等几个类型。在目前复合材料的应用上，可把复合材料分为结构复合材料、功能型复合材料以及智能型复合材料三个大的类别。按照增强材料的品种不同可以分为玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料以及有机纤维复合材料等。

2 复合材料在建筑工程中的应用

复合材料发展到今天，品种已经十分繁多，但常见的分类方式主要有两种。一种是根据金属性分为金属和非金属两大类，一种是根据用途分为常用和先进两大类。从基体角度来说，金属类的基体常用的有铜、镁、铝、钛以及其它的合金等金属类基体，非金属类基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等非金属类。从增强体角度来说，增强体材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

按照常用和先进分为两类时，根据其应用的成都进行分类，常见的如玻璃钢便是由玻璃纤维等性能较低的增强体与普通树脂基构成。因其价格低廉从而大量发展，已广泛用于船舶、建筑结构、车辆、化工管道和贮罐、体育用品等方面。这一类称作常用复合材料。诸如陶瓷基、碳（石墨）基和金属基等为基体，碳纤维、芳纶、等高性能耐热聚合物为增强体的复合材料，虽然性能十分优异，但是由于其相对比较高昂的价格，目前只能用在国防工业、航空航天、机器人结构件、精密机械、深潜器和高档体育用品等，很难广泛应用，此类称作为先进复合材料。

因此，目前来说，在建筑领域主要应用的便是以非金属类复合材料，常见的有合成树脂、橡胶、玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维等。

2.1 合成树脂

树脂基复合材料在建筑工业中对减轻建筑物自重，提高建筑物的使用功能，改革建筑设计，提高经济效益，降低工程造价，加速施工进度等都十分有利，是实现建筑工业现代化的必要条件。目前在建筑中树脂基主要应用在：承载结构，例如：承重折板、屋面板、粱、柱、基础、桁架、楼板等；围护结构，主要有各种波纹板，各种复合板，夹层构板，折板结构、整体式和装配式壳体结构等；采光制品，常用于工业厂房、农业温室、民用建筑以及大型公用建筑的屋顶、天窗及围扩墙面采光等；给排水工程，如各种规格的高位水箱、给水玻璃钢管、防腐排污管、化粪池等；门窗装饰，常用于工业及民用建筑，装饰板用作吊顶、墙裙、大型浮雕等；另外，还被应用到采暖通风、卫生洁具、高层楼房屋顶建筑和其他一些特殊建筑等。

2.2 橡胶

到目前为止，橡胶在建筑领域中的应用十分广泛，仅次于交通运输领域，是第二大用胶大户。橡胶在建筑领域中，既应用到传统应用（如工程施工机械的轮胎、传动带、运输带、胶管、施工人员的作业服、防护罩、劳动靴、安全帽和施工现

场常见的胶板、蓬布等橡胶制品等）又是直接应用于建筑物和构筑物主体的建筑材料。由于橡胶具有其它建筑材料所没有的伸缩性、气密性、防水性、阻尼性和缓冲性等集中在一起的优异的特性，因而成为在现代建筑上的重要一环，使用数量和范围逐年在扩大增加，目前橡胶建筑材料已发展到数千种之多。目前应用的橡胶建筑材料主要有橡胶防水材料、橡胶密封材料、橡胶支撑与隔震材料、橡胶铺装材料等4大类型。

2.3 玻璃纤维

目前，玻璃纤维是复合材料中使用最广泛的纤维增强材料。根据目前的使用情况和形势，玻璃纤维在未来将仍旧占据很大的市场。我国对玻璃纤维的使用起源于20世纪50年代初期，当时是用作绝缘材料，直到50年代末期才得到迅速发展，直到现在，玻璃纤维已经广泛使用于建设和发展中。现今，玻璃纤维在建筑工程中也占有很大的比例，主要应用在玻璃钢，玻璃纤维增强水泥，内外墙保温材料，建筑防水材料，建筑防火材料这些方面。

2.4 碳纤维

碳纤维近年来开始进入建筑工程市场，简单的说，碳纤维市一中含碳量极高（大部分碳纤维的含碳量在95%以上，含量在99%以上的称为石墨纤维），并且在功能上具有高强度、高模量的新型材料。

尽管碳纤维可以直接单独使用就能够发挥某些作用，但是碳纤维属于脆性材料，只有将它与基体材料牢固的结合到一起，才能充分的利用其优异的力学性能，使之更好的承载负荷，所以，碳纤维主要在复合材料中做很好的增强材料。并且可以根据目的的不同选用不同的基体和复合方式来达到所要求的效果。

目前，应用到建筑工程中的技术最广泛的就是使用碳纤维加固技术。碳纤维加固技术于80年代起源于美国，中国对这项技术起步较晚，于90年代末方才从国外引进。目前，加固主要有纤维布加固和纤维板加固两种，通过碳纤维的加固对一些承载力不足的建筑构件进行加固，从而避免了因构筑物不合格而重建的损失。对于已投入使用但不满足现有荷载要求的建筑物，进行加固，维修来满足对荷载的要求。

目前，我国对碳纤维的研究不断推进，已有数十所高校和研究所对其研究，并逐渐赶上世界先进技术，面对我国巨大的建筑市场，碳纤维技术将会有很大的前景与增长趋势。就目前情况来看，在一般建筑工程中碳纤维应用还不够广泛，但是它的市场前景很广阔，在很大程度上能够适应现代高智能化的新型建筑工程。

3 结束语

建筑工业在国民经济中占有很重要的地位，不论是哪一个国家，建筑工业永远是国民经济的支柱产业之一。随着建筑行业的快速发展，复合材料在土木工程中的应用已经越来越广泛.随着社会的发展，建筑的要求日益严峻，追求性价比的同时还要要求环境的保护，复合材料作为新型的建筑材料应更加加大研究。其不仅能够有效地节约材料，还能提高材料的应用效率，具有很广阔的应用前景。我国也应结合国外复合材料的研究生产符合我国现状的复合材料，从而满足经济飞速发展带来的各项要求。

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