复合材料在土木工程中的发展与应用

2018-02-14王琛

建材与装饰 2018年6期

王琛

（河南建筑职业技术学院河南郑州 450064）

复合材料又称FRP，全称为纤维增强复合材料，是一种新型的结构材料，是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶、玄武岩纤维等高性能纤维与树脂机体混合，经过一定的加工工艺而复合，最终形成的一种新型结构材料。复合纤维具有很多良好的性能，如轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等。在土木工程建设中运用复合纤维能够对传统的建筑材料钢筋和混凝土进行有效的补充，从而有效的提升土木工程的质量，降低建筑成本，达到资源的高效节能利用，因此，复合纤维已经成为土木工程发展的重要方向。

1 复合材料在土木工程中的应用

1.1 工程结构加固补强

在土木工程中利用复合材料进行加固补强的主要方式就是把混凝土结构进行粘贴和加固。主要分三个步骤：①将FRP布缠绕在混凝土柱上面，达到加固的目的，从而有效的增强混凝土的强度，增强混凝土柱的抗震性。②把FRP片材粘贴在建筑物的梁和板上面，让混凝土更加密切，严防裂缝产生，增强混凝土的承载能力。③将FRP片材包裹在建筑物的梁和柱都能结构上面，增强梁和柱的抗剪承载力。在实际的施工过程中，这种加固方式经常用到，但是也应该注意一些问题，如工程结构的加固补强程度与原有的各构件之间的配合率不能相差太大，必须将其控制在一定范围之内。

1.2 FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构

一般来说，FRP筋中的纤维含量在60～65%，这种结构十分轻盈，质量上只占一般钢筋的1/5，但是其高度确实普通钢筋的6倍，具有很多的优点，如抗腐蚀、低松弛、非磁性和抗疲劳等。在土木工程中，运用FRP筋而不是钢筋进行工程建设，其主要的作用是增强材料的耐腐蚀性，使建筑结构的使用寿命延长，如果用传统的钢筋进行建筑，由于其容易受腐蚀，因而钢筋结构很容易受到锈蚀，从而损害建筑结构，增加一些不必要的费用，但是使用FRP筋恰好能够避免这些问题，有效的节省不必要的开支。同时，一些特殊的工程要求无铁磁，这时就可以使用FRP新型材料进行建设。FRP筋主要有四种用途，即GFRP筋，进行表面处理；CFRP预应力筋，用于多股钢线之间；FRP筋，进行表面压痕和滚花处理，以及进行交错编制。

1.3 符合材料组合结构

把多种类型的FRP制品与钢材或混凝土进行组合利用就是FRP组合结构，这种组合结构的优点是达到优势互补，差生新的勾结形式或结构体系。由于FRP是一种具备高性能的新型结构材料，它有很强的设计性，所以在结构的构成形式方面存在很大的可创造性，因此就形成了很多类型的FRP组合结构。主要有：FRP管混凝土：在成型的FRP管中填充混凝土，利用FRP管良好的约束作用有效的提高施工质量。同时，由于FRP管的特性，学者进行了多种研究和改造，在施工的过程中由多种不同的用途。FRP-钢管-混凝土组合构件：构件主要有两部分组成，中心为空，用FRP结构将钢管外部包裹起来，在两者中间填充混凝土，外面的FRP结构对里面的钢管进行了有效的保护，使其免受锈蚀，有效的提高了工程的质量。CFRP-铝合金组合构件：在工程建设的过程中，用铝合金组合构件把铝合金管的外部包裹起来，因为这两种材料都比较轻质、抗腐蚀、高强等，所以能很好避免其不足，使这种材料结构在工程中发挥最大的作用。FRP-木组合构件：幕木组合构件由纤维构造形式组成，具有很好的受力性，但是抗火性较差。因此要将FRP与木材进行有效的组合，将木材当做构件的填充成分，增强材料的抗力性。

1.4 全复合材料组合结构

FRP具有很强的力学性能，克服了传统结构材料无法达到的优势，具备很强的耐腐蚀性、CFRP绝缘性和导电性、较好的隔热性等，还具有很好的可设计性和可加工性，因此FRP在土木工程中具有无可比拟的优势。在实际的建筑过程中，全FRP结构的主要用途在于以下几点：FRP桥面体系：在桥面工程中，直接可以将FRP材料桥梁的面板，由于此架构的轻质和高强性能，能够有效的减轻桥面对桥梁的压力，并且能够增强桥面的抗压性，有效的降低后期维护费用。同时，运用这种材质进行桥梁建设，能有效提高桥梁的承载能力，增强建筑本身的美观性。FRP轻质桥梁：通常所说的轻质桥梁一般都指人行天桥，这种桥梁主要建设在市内人流量大的地方，除了良好的性能之外，还需要一定的美观性能。运用FRP材料进行桥梁建筑，首先能够有效的增强桥梁的承载力，由于其可设计性较强，能够满足人行天桥的美观性能。FRP编织网结构：所谓FRP编织网结构主要指的是把FRP板条按照一定的规律进行编制，然后通过整体张拉后形成一种新的具备很强柔韧性的结构。这种结构在一些超大跨度的屋盖结构中会常用到，具有有一定的景观效应。

2 复合材料在土木工程中的发展

我国的符合材料在土木工程中的发展主要从20世纪中期开始，主要经历了四个阶段，最早时期的探索是用玻璃纤维束来代替钢筋，主要应用于混凝土构件中。到20世纪70年代，开始在结构工程中大量使用和研究纤维增强复合材料。到20世纪末，我国的复合材料发展取得了巨大的成效，典型的代表工程是瑞士的Ibach桥。本世纪初，我国的复合材料在土木工程中的应用量得到了大幅提升，总计超过了500t。由此可见，我国复合材料在土木工程中的应用取得了巨大的发展，随着社会科学技术与经济的双重发展，复合材料在土木工程中的应用必然会越来越广泛，我国建筑事业的发展会越来越好。