土木建筑工程中纤维复合材料的应用

王旭东

（上海中侨职业技术大学 建筑工程学院，上海 201514）

随着建筑工程领域技术的发展和人类对多种环境下的建筑需求，建筑材料的需求量在增大的同时建筑材料的性能要求也在拔高。传统的建筑材料由于其强度、抗震、耐高温等方面性能的不足导致传统建筑物的质量较低，阻碍了建筑工程在严苛环境下的应用。对此，许多新型建筑材料应运而生，其中，纤维复合材料是较为重要的组成部分之一［1］。

复合材料是由两种或以上不同性质的材料经过物理或化学方法进行加工得到的新型材料，往往兼具其组成部分的高性能。纤维复合材料是将各种高性能纤维作为增强相，与基材通过缠绕或拉挤等方式成型得到的复合材料，纤维复合材料通常表现出其增强纤维的性质，如碳纤维复合材料具有高强度和较低的自重，芳纶纤维的抗拉强度增强了近60%［2-3］。按照纤维形态类型的不同可将其分为短纤维和长纤维，非连续结构短纤维对复合材料的抗拉强度和抗裂性就较大的提升，而连续的长纤维对复合材料的延展性、韧性的增强更为突出，纤维的复合使得原本易产生裂纹的混凝土对裂纹萌发和扩展有了较大的抵抗能力，可以更加稳定地服役［4］。同时，韧性的提高使得混凝土材料具备一定的抗冲击能力，但纤维复合材料在现阶段的应用中仍具有较明显的缺陷。近年来，纤维增强水泥基复合材料在各种领域都有大量应用，本文简单介绍了纤维复合材料的特性和优势，并将其在建筑工程中的运用做了简要的介绍和归纳，为更好地应用纤维复合材料提供了一定的参考。

1 纤维复合材料的优点

1.1 可设计性

纤维复合材料在成型时需要添加纤维作为增强相，为了使纤维可以和基材充分接触并混合，不同的混杂纤维类型对基材的增强着重点有着较为明显的区别，使得纤维复合材料的成型工艺可以达到明确构件性能的基础上进行模拟和调配的功能，纤维复合材料在表现出极为优良的适应性的同时也具有较佳的设计性［5-6］。通过建筑工程师对施工期间整个建筑工程材料性能目标的评估和计算，可以更为合理地对纤维复合材料进行应用，有效降低工程的施工成本。

1.2 力学性能优越

纤维种类的不同对纤维复合材料性能的增强也有所差别，例如聚丙烯纤维等有机纤维对复合材料的韧性提升较大，而钢纤维、碳纤维等无机纤维对复合材料的抗拉强度提升较为明显［7］。然而可以明确的是，纤维复合材料的力学性能得到了大幅度的提升。通过文献对纤维复合材料的研究可知［8］，纤维复合材料的抗拉强度和同直径的钢筋相比提高了100%以上，最高可达到钢筋的8倍。同时，纤维复合材料在承受相同的载荷时产生的塑性变形量也远小于钢筋［9］。优越的力学性能使得纤维增强复合材料可以满足绝大多数的应用环境，从而达到降低整体建筑工程复杂程度的效果。

1.3 耐腐蚀性

随着我国对资源的利用开发，各种严苛环境下如油田、深海等的建筑工程应用开始增多，建筑材料容易发生腐蚀现象，以沿海地区为例，由于空气较为湿润且海水中的盐浓度要远高于常规状态下，水分子容易渗入到复合材料中，钢筋类的材料容易遭受腐蚀导致材料性能的降低［10］。而材料的腐蚀一旦发生，就会对建筑工程的整体质量造成较大的影响，更甚如果施工材料被腐蚀必然会影响有效应用，从而留下安全影响，不仅会影响建筑的整体质量，还会影响工程经济效益。在沿海地区，在不同种类的纤维类型中，无论是有机纤维亦或是无机纤维都具有较高的耐腐蚀性能，相对钢筋而言，复合材料的渗水问题对纤维并不会造成较大的影响，即便材料处于潮湿环境或整体处于水环境下，纤维材料也不会发生材料的腐蚀，即使是钢纤维也会在基材的包裹下腐蚀发生较为缓慢［11］，使用寿命得到延长。

1.4 良好的抗震性

纤维复合材料的基体和纤维的结合方式使其具有较好的缓冲效果，即优良的减震性。文献中指出，纤维复合材料在受到一定的冲击时，其特殊结构会使材料在不同的外加频率下保持结构的完整性和性能的稳定性，在相同频率的实验测试中纤维复合材料的减震性要优于其他材料［12］。

1.5 抗疲劳性

无论是传统建筑材料或金属材料，在承受应力载荷的循环施加后都会发生应力疲劳，并且在环境的温度循环下，材料的热膨胀性能较低，在热胀冷缩的影响下会出现力学性能的降低。而在低温环境下更是会出现“脆化”现象。在纤维复合材料中，纤维的添加使纤维复合材料的韧性得到有效的提升，根据文献显示，纤维复合材料的抗疲劳性能要比金属材料高出30%以上，服役寿命较长［13］。

1.6 较强的安全性

为了保证建筑物整体的稳定，通常会将建筑材料在外界环境下的损坏纳入建筑设计中，而纤维复合材料的内部具有一定数量的独立纤维，这些细小的独立纤维可以有效填补基材内部的微孔和孔隙，抑制的裂纹的萌发，同时在裂纹两端的长纤维和短纤维均在一定程度上具有将裂纹桥连的作用，从而对裂纹的扩展有一定的抑制效应。且纤维的混杂通常是以束为单位，单一纤维的断裂会被其他纤维的载荷分担，构件的承载力得到了加强，因此对于整体建筑的安全性具有非常高的保护作用。

2 纤维复合材料的发展缺陷

虽然纤维材料的优点很多，具有优异的力学性能、可靠的安全性和耐蚀性，但仍然存在一定缺陷［14］。首先，纤维复合材料的制造成本较高，限制了纤维复合材料在建筑领域的大规模的应用。而且，与混凝土等传统建材相比，纤维复合材料的性能波动性较大，在工程使用中依靠设计师或建筑工人自身的经验进行判断，缺乏一定的精准性。最后，由于纤维材料和基体结合较为紧密，且纤维细小、强韧的特性使纤维复合材料的回收较为困难，因此现在对纤维复合材料的回收和循环利用仍没有相对成熟的机制，与现在的可持续发展战略相左。总之，纤维复合材料仍需要对工艺进行进一步优化。

3 纤维复合材料在建筑工程领域中的应用

3.1 增强混凝土

混凝土是现在建筑工程中最为常见且应用最为广泛的建筑材料，混凝土材料具有高强度、耐火、耐酸等种种优势，但易产生裂缝和抗渗性较低的缺点是混凝土材料失效的主要原因。将纤维材料作为增强相可以增加混凝土的致密性，从而达到对混凝土强度的强化，并且纤维材料对混凝土中缺陷的填补也能明显提升混凝土材料的抗渗性。在传统的混凝土材料运用中，加筋处理是对混凝土抗拉强度和韧性加强的主要方式，而内包裹的钢筋容易受到环境的影响发生腐蚀，纤维材料对混凝土抗渗性的提高保护了内包裹的钢筋的服役寿命［15］。

纤维材料对混凝土的增强不仅体现在抗渗性的提高上，对纤维增强混凝土材料的延展性、抗冲击等特性也有所展现，简而言之，纤维材料可以多方面、多角度的提升混凝土材料的性能，使混凝土的应用范围拓展，服役寿命得到有效延长，提升建筑工程的质量［16］。

3.2 涂层织物

在以纤维材料为原料制成织物正反两面形成单层或多层的聚合物涂层，即涂层织物，是新型的复合涂层织物，有别于传统的棉织物等涂层织物，纤维材料涂层织物具有极高的拉伸强度和抗张力，且物理化学性能极为稳定，耐腐蚀，将其涂附在材料表面可以有效保护材料表面和维持材料的结构稳定性，同时在其强大的拉伸性能下，即使建筑材料发生了一定程度的开裂或缺陷，涂层织物依然能维持建筑工程的稳定服役［17］。同时，随着涂层技术的发展，纤维涂层织物还可以承担更多的作用，如疏水、阻燃和遮光等其他性能，为建筑工程的多功能性做出了贡献。且如珠光涂层织物等更是具有极为美丽的外观特性，提升建筑的美学价值。纤维涂层织物的多种功能使得纤维复合材料在膜结构建筑和对建筑工程的维修中也发挥显著作用。

3.3 结构补强材料

传统的结构补强材料的主力军往往是抗拉强度和抗弯强度较高的钢铁材料，但金属材料的高自重和易腐蚀的特点使得其服役周期较短，钢铁材料在作为结构补强材料时，同时受到外加载荷和腐蚀环境的影响，通常会发生突发性滞后断裂，这种失效模式是突发性的且一旦发生将彻底失效。而纤维复合材料不仅抗拉强度与金属材料相当甚至有所超出，以纤维复合材料作为结构补强材料可以整体提升建筑材料的性能。以碳纤维为首的新型高强纤维材料对载荷的承载力更强，可以实现对桥梁或道路工程的基桩进行加固处理，同时应用缠绕工艺还可以防止建筑工程发生结构的开裂［18］。

3.4 用于承载结构

在不同的建筑工程中，承载结构往往有较大的差异，对承载结构的功能和形态也有着较为明显的区别。纤维复合材料优异的力学性能和极高的可塑性使其可以制备出形态结构各异的承载结构，如排架、梁板等。在钢构建筑工程中，纤维复合材料便是承载结构的主要材料。通常而言，由于纤维复合材料突出的耐蚀性和抗渗性，纤维复合材料常见于外墙板或楼板等易出现腐蚀的构件中，以提升建筑的服役寿命，同时满足建筑的隔热、保温等功能化的设计，也可以达到代替混凝土、降低自重的同时对建筑的耐久性进行加强［19］。在常规的建筑工程中，纤维复合材料制成的隔热板、门窗构件等也极为常见，由于纤维复合材料的强度高、韧性高，作为此类构件时不仅可以满足功能需求，也加强了构件的外观性，且简化了构件的施工过程，提升了人工效率，降低了经济成本。

4 结语

纤维复合材料所具有的优异耐蚀性、耐冲击性能和极高的力学性能使其在建筑工程中可以实现多方面的应用，在取代传统建筑材料、降低环境污染的同时也对建筑工程的整体质量有着明显的提高。而通过对纤维复合材料特性的把握还能达到建筑多功能化的效果，对实现建筑工程质量、功能、经济效益三重优化具有较大的意义。所以，在现代新型建筑工程的建设中，取代传统高污染、低性能的建材，对新型建筑材料的开发和运用，是今后建筑工程领域的主要发展方向，而加强对纤维复合材料等新型建材的科学合理的选择与应用，更是在绿色发展、可持续发展理念下，提高建筑工程质量和推动建筑领域的发展极为重要的一环。