绿色纤维复合材料在土木建筑工程中的应用

李鹏飞

（太原学院建筑与环境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

城市化进程不断加快，土木工程项目数量逐年增加，传统的建筑材料不仅成本高，且会产生很多有害物质，对自然环境以及居民的身体健康都带来了不利的影响。随着人们生活质量的提高，建筑材料的绿色环保性能也越来越受到重视，而绿色纤维复合材料由树脂和各种极强的纤维组成，具有节能环保、质量轻、耐腐蚀性强等良好的性能，极大地提高了土木工程建设质量，在整个土木工程施工中起着非常重要的作用[1]。

1 绿色纤维复合材料的特点

1.1 可设计性

在土木建筑工程中，绿色纤维复合材料由基础材料和增强材料组成，具有较强的可设计性，可以根据实际需要设计纤维复合材料，再结合其特点进行加工。绿色纤维复合材料不仅可以保留原材料的特性，还能整合其他合成材料的高品质特性，性能是单一材料无法比拟的，且纤维复合材料的组成也会影响绿色纤维材料的整体特性，可以根据土木建筑工程的需求对材料配比进行优化，极大地满足了土木工程施工的需要[2]。

1.2 耐用性与抗腐蚀性

土木建筑工程材料的使用寿命是影响建筑质量的重要因素，绿色纤维复合材料的强度是钢的5倍，铝的6倍，非常耐用，使用寿命是普通材料的2倍以上，且拉伸性能较好，当绿色纤维复合材料的一些纤维断裂时，这种压力可以被区分，将断裂压力传递到其他地方，以防止材料瞬间断裂，可以为维修工作争取很多时间。部分土木建筑工程中仍在使用传统的建筑材料，耐腐蚀性差，使用寿命短，直接影响到整个工程的质量，而部分绿色纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可以充分发挥其作用，提高土木建筑工程质量[3]。

1.3 抗震性能强

由于中国部分地区属于震感多发以及台风地带，在土木工程建设中，就要考虑到抗强风、抗地震等自然灾害，尤其是地震，故建筑的良好的抗震性能可以保障居民的生命安全。经实验表明，在加速度和频率变化的过程中，许多材料会发生断裂和折断，而大部分绿色纤维复合材料具有较强的抗震性能和减震性能，对于地震产生的冲击波有较高的吸收效果，在土木建筑工程中的应用可以大大提高建筑质量[4]。

1.4 可观赏性与抗疲劳性

在土木建筑工程中，金属材料受“热胀冷缩”原理，使自身具有一定弹性，其强度是伸强度的40%～50%。若天气极端寒冷，金属材料会出现“脆化”现象，影响到建筑功能的正常使用，而绿色纤维复合材料抗疲劳能力比普通金属材料要高出30%左右，抗疲劳性能优越。此外，与其他普通材料相比，纤维复合材料具有很强的美学品质，可塑性较强，可以根据需求设计成各种各样的颜色与形状，满足了当下人们对美学的追求，促进了土木建筑行业的进一步发展[5]。

2 绿色纤维复合材料在土木建筑工程中的作用

绿色纤维复合材料已经被广泛应用于土木建筑工程中，其作用主要体现在以下两个方面：（1）提高土木工程建设效率：绿色纤维复合材料具有良好的抗腐蚀性与抗震性能，在土木建筑工程中可以承受建筑物与地面的荷载，并能持续保持优良的性能，从而加快了施工人员的施工速度，提高了土木工程工作效率；（2）提升土木工程施工效果：土木工程项目庞大，在施工前，由于设计人员方案不一致会造成冲突，影响施工效果。而绿色纤维复合材料的应用需要结合地域特点，提前进行有效的施工设计，最大限度发挥土木工程施工效果，保证施工质量[6]。

3 土木建筑工程中绿色纤维复合材料的具体应用策略

3.1 钢筋混凝土中绿色纤维复合材料的应用

传统的建筑材料钢筋混凝土因耐腐蚀性差与力学抗性差限制了其在土木工程中的进一步发展，在钢筋混凝土中应用绿色纤维复合材料可以增强其耐腐蚀性，提高其抗震性能。现阶段，玻璃纤维混凝土及其他物料（例如纤维增强混凝土）已广泛应用于土木工程及建筑工程，相比于普通混凝土，这些材料具有很强的力学性能，防水、防腐性能也较强，绿色纤维复合材料越来越受到重视。此外，它的抗震动性能可以减少突发震动对建筑物造成的破坏[7]。

3.2 水泥基中绿色纤维复合材料的应用

传统的土木工程建筑材料不具备电磁波抗干扰的功能，我们可以在土木工程建设中采用纤维复合材料屏蔽磁场来消除一定的电磁波，也可以通过在混凝土中掺入钢纤维来屏蔽磁场。在土木工程中常使用的屏蔽电磁波的材料是水泥基纤维材料，是一种新型复合智能材料，由在水泥基材料中加入钢、碳、铝和其他纤维制成，不仅可以有效屏蔽周围的电磁波，还可以用于智能导航系统。在土木建筑工程中，还有一种智能建筑材料为应变自感应混凝土材料，将碳纤维散布在水泥中以此来自动感应建筑物的应力和损伤，并自动调节受力情况[8]。绿色纤维复合材料中的导电水泥混凝土可以提高水泥的抗疲劳性能，增加建筑使用寿命。在混凝土中加入绿色导电纤维材料可以使混凝土具有导电性，虽然这项技术在住宅供暖中起到了一定的作用，但成本较高，技术不成熟，仍有很多创新发展空间。

此外，以ECC材料为基础，以纤维作增强材料也能在不同程度上改善水泥基的性能，ECC材料全称为Engineered Cementitio us Composites，是一种基于细观力学设计的具有良好力学性能、超强韧性的高性能纤维增强水泥基复合材料，多以水泥、水泥加填料或粒径小于5mm的细集料作为基体，以PVA、PE等合成纤维作为增强材料，当纤维掺量体积率小于2%时，其极限拉应变力可达到3%以上，该拉伸应变力约为普通混凝土的100～300倍，ECC凭借超强的韧性与多缝开裂等优良特性被广泛应用于土木工程中。比如在边坡加固应用方面，日本歧阜一座混凝土边坡墙遭受严重开裂，在其表面喷上一层60mm左右的ECC覆盖层，完工一年后发现ECC修复层最大裂缝宽度仅有50 μm，取得了良好的加固效果（如图1所示）。

3.3 绿色纤维复合材料（FRP）在土木工程中的主要应用

纤维增强复合材料，简称FRP，是一种由纤维材料和基体材料按一定比例混合而成的高性能材料。具有质轻而硬、不导电、耐腐蚀等特性，随着社会科学技术的进步和土木工程结构的发展，FRP以其优异的力学性能，满足现代工程结构向大跨度、高层、重载和轻质化发展的需要，在桥梁工程、土木建筑、海洋工程和地下工程中得到了广泛的应用，受到了结构工程界的广泛关注，其在土木工程中的应用主要体现在以下几方面[9]：

（1）用于土木工程结构的加固加强

在土木工程中，绿色纤维复合材料通常附着在构件表面，原构件借助纤维复合材料的性能进行加固，FRP材料广泛应用于混凝土结构的加固，基于混凝土易变性，最常见的方式是使用FRP布对混凝土结构进行缠绕来提高整体结构的稳定性，增强建筑结构的抗震性能。还有一种简单的方法是将FRP片材粘贴在混凝土梁或相应的钢板的受力表面，有效地提高了建筑物的整体受力，使其更加实用、高效，该加固方法广泛应用于梁承载力修复与旧建筑物的改造加固中[10]。

（2）FRP筋索以及预应力 FRP筋混凝土结构

FRP本身的非磁性特性非常突出，被广泛应用于道路桥梁的建设中，且在一定程度上以用作预应力钢筋，在20世纪的土木工程中，加固的主要方法是将其应用于道路混凝土的施工，因玻璃纤维增强塑料（简称“GFRP”）生产简单且成本低，近年来在一些工程上得到应用，其物理性能见表1。

表1 GFRP物理性能

英国设计咨询公司与桥梁专家合作设计了全球第一座玻璃纤维增强树脂基复合材料桥梁（如图2所示），该桥梁的模块组件均为1米长，用螺栓连接在一起，跨度可达30米，适用范围广。此外，由于它比钢桥轻70%，桥梁只需使用叉车即可实现搬运，使工程交付更加高效，由于采用了GFRP材料，也使桥梁具有优异的防火、抗破坏以及防紫外线辐射的性能[11-12]。

在土木工程建设过程中，纤维复合材料有着显著的应用优势，例如CFRP构件有着自重轻、耐久性好、结构恒载低的优点，能将常规材料的活载应力由10%～20%提高至50%～70%，还能将以纤维复合材料为核心的斜拉桥拉锁的桥梁跨度增加1.3～2.3倍（如表2所示）。

表2 钢索、CFRP复合材料桥梁极限跨径

CFRP在加固工程中具有施工便捷的特点，且粘贴工艺较简单，其应用如图3所示[13]。

（3）FRP桥面体系

在桥面施工中，通常在桥面铺装FRP材料，利用FRP材料的强度对桥面进行加固，提高桥面的荷载（见图4），与传统的施工工艺相比，FRP材料桥面具有更好的承载能力，有利于提高桥面整体的动荷载水平[14-15]。

4 结语

综上所述，随着土木工程的发展，建筑业也从过去单一的追求坚固转变成了美观、坚固、绿色环保。绿色纤维复合材料的应用对土木工程行业有着重要的意义，在土木工程中发挥着巨大的作用，可以有效提高建筑的施工效率与施工效果，保证土木工程的施工质量。鉴于目前的发展状况，绿色纤维复合材料还有很多性能未被挖掘，具有很大的发展空间，我们可以进一步挖掘其隐藏的特点，提高我国建筑业的发展水平。