复合材料在土木工程中的发展与应用

2017-03-09马吉峰

绿色环保建材 2017年3期

关键词：标准规范受力构件

马吉峰

石家庄高新建设投资有限公司河北省 050000

复合材料在土木工程中的发展与应用

马吉峰

石家庄高新建设投资有限公司河北省 050000

自改革开放以来，我国社会经济得到了快速发展，土木行业乘着社会前进的步伐，取得了跨越性的发展，在土木工程使用材料上发生了巨大变化，新材料、新技术、新工艺得到了突破性的发展。复合材料就是其中十分具有代表性的一种新型建筑结构材料，以质量轻、力学性能好、抗腐蚀等特点著称，在现代土木工程建设中有着较为广泛的应用。

复合材料；土木工程；发展与应用

1 引言

在生活中我们常能见到的复合材料是纤维增强复合材料，简写为FRP，是由树脂和多种性能极强的纤维组合而成，人们常见它被用于结构加固或补强。新材料的制造及应用技术往往标志一个国家经济和科技的发展程度，我们应当对复合材料的开发给予足够的重视，刻苦钻研，积极开发并运用于实际，增强结构受力性，延缓建筑使用年限，修复结构损伤，最大程度的减小工程建设对环境的不良影响，更好地造福人类。

2 复合材料的发展历程

上世纪五六十年代，人们开始了在民用建筑中应用复合材料的尝试，1961年英国斯梅西克一座教堂成功应用了玻璃纤维复合材料制作教堂尖顶，随后在复合材料在世界范围内被广泛应用。复合材料的成功应用后，世界更多的学者加入了复合材料的研究中，极大的加速了复合材料的发展，而我国在上世纪八十年代才开始在结构工程中大量应用纤维增强复合材料。1972年，云南省用GFRP建成了一个直径达44米的雷达天线罩；1982年，北京密云建成世界上第一座FRP公路桥，桥梁跨径20.7米，是一座GFRP蜂窝箱梁型公路桥。随后FRP得到了快速发展，大规模的应用FRP，是从该材料用于土木工程结构加固开始。从美国北岭和日本阪神地震后的加固修复工作来看，复合材料加固优势凸显，其加固的经济性和安全性得到了土木界的广泛认可。

3 复合材料在土木工程中的主要应用

3.1 工程结构的加固补强

利用各种方法将复合材料附着在受力构件表面，已达到增强原有构件的受力性能。常见的混凝土加固方式有三种：第一种，用FRP布对混凝土结构进行缠绕加固，最具代表的缠绕加固就是对混凝土柱的缠绕加固，此种对柱加固方法成效明显，是基于约束混凝土的受力变形提升结构强度原理，在增强轴向受力的同时还能增强结构的抗剪、抗震能力。第二种，在混凝土梁或板以及桥梁跨度内的受拉面贴用FRP片材。此种加固补强在我国极为常见，特别是在老旧建筑改造加固、桥梁承载修复、震后房屋损伤修复方面应用广泛，贴面加固补强可有效提升构件的抗弯能力，防止结构裂缝的延伸。实践证明在超载下常发生结构和贴片剥离现象，FRP片材与原结构的贴合还有待进一步提高。第三种，对混凝土柱或梁应用FRP片材包裹然后外部应用FRP布进行环绕加固补强，此加固方法实质上是前两种方法的复合运用，加固效果最好，能有效提升结构的抗压和抗剪能力，但此方法FRP用量较大。

3.2 FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构

FRP筋，质量轻，其纤维量占比达60%-65%，同样体积的FRP筋与钢筋相比，重量约为钢筋的五分之一，但其受力强度却约为普通钢筋的六倍。因此，FRP索常被用作斜拉桥或悬索桥的缆索，其抗振动、抗疲劳的能力远超传统的钢束，且施工容易，后续维保经济、便捷。利用FRP筋代替钢筋做成预应力FRP筋混凝土，不但能减轻自重、增加强度，还能抵抗混凝土碱性环境对筋条的腐蚀，降低维保费用，延长建筑使用年限。同时FRP混凝土结构还具有非磁性的特征，能够为人类生产生活和科学研究提供一个无磁性建筑空间。

3.3 FRP组合式结构

将不同种类或不同形式的FRP制品进行组合应用，或将FRP与传统钢材、混凝土、木材等材料进行特意组合应用，实现了材料之间的优势互补，在增强力学性能的同时，还能节约成本，有助于建筑造型的多样化，延长建筑使用年限。目前应用技术比较成熟的有FRP-混凝土组合梁，FRP管混凝土组合构件，FRP-木组合结构构件，FRP-钢管-混凝土组合结构，FRP-铝合金组合构件等。

3.4 全FRP结构

FRP的高强轻质，耐腐绝缘等特性，使其在土木工程中具有十分独特的优势，全FRP结构在建筑中应用较多，因其具有极强的可设计性和加工性，全FRP结构常具有新颖的造型。常见的全FRP结构体系有：FRP轻质桥梁，FRP编制网结构，FRP杆件空间结构，快速架设应急FRP桥等。

4 增加科研投入、制定标准规范，助推复合材料跨越式发展

复合材料在土木工程中的应用离不开科研的支持，加大科研投入，能吸引更多更多的人才加入到复合材料的研发队伍中，大大提升新材料、新技术、新工艺的研发进程。复合材料研发成功并投入市场应用后，必须积极吸取传统混凝土工程、钢筋工程等系列规范的制作经验，制定严格的复合材料加工、应用、施工、检测等标准规范。我国的复合材料研发和标准制定已有数十年历史，目前已初步形成了一些较为基础的复合材料应用标准，如土木工程中复合材料工程应用技术规范、土木专用复合材料产品标准、通用复合材料试验方法标准等，这些标准规范为复合材料在土木工程中的发展和应用起到了十分显著的效果，但随着复合材料应用范围的不断扩大，在众多应用领域尚未有统一标准。制定行之有效的复合材料应用标准规范，势必将推动复合材料实现跨越式发展。