土建领域中的纤维复合材料应用现状及前景展望

2023-01-05陆智斐

合成材料老化与应用 2022年4期

陆智斐

（上海海洋大学后勤与基建管理处，上海 201306）

纤维复合材料早期主要被用于航空航天及军工等领域，凭借其优异的抗腐蚀、尺寸稳定性以及轻质高强等性能，后期逐步在建设工程行业得到了青睐。在土建领域，纤维复合材料能满足现代化建设工程的轻质、高强、重载、大跨及耐腐蚀等一系列需求，在混凝土结构加固、桥墩维修补强、邻海构筑物防腐等方面得到了越来越广泛的应用［1-2］，并较好地契合当前超高层建筑、智能化装修、城市立体更新以及“双碳”战略等新型现代化建造理念。

超高性能水泥基复合材料（UHPCC）具备超高强度与超高耐久性［3］，其突出的力学性能使其在超高层建筑中应用前景广阔；木塑复合材料是一种新型节木材料，防水、抗菌防虫且吸声效果好，在吊顶、墙板、地板以及门窗等的装配式智能化装修方面拥有理想的效果；而在当前新建与存量更新改造同步的城市更新阶段，纤维布、纤维筋以及纤维板等复合材料在结构加固、维修补强等方面占据重要地位。纤维复合材料生产过程能耗小，自重轻、使用便捷，无需大型机械配合，节能减碳优势显著，利于我国“碳达峰”、“碳中和”目标的实现。

与此同时，随着生活水平的提高，人们对智能化材料的需求日趋高涨，如自检测、自修复以及自维修等，而智能/ 功能混凝土等纤维复合材料不仅能承受相应的荷载，而且能适应多种智能化场景需求，从而赋予大型建（构）筑物智能化应用与运行条件，提升桥梁或高速公路等的服役年限与使用品质。研究和实践表明，纤维复合材料在土建工程中的推广应用，可一定程度上改善传统建材应用的不足和缺陷，突破大跨、重载等传统设计极限［4］，同时凭借绿色环保、防腐耐久等性能，有效降低土建施工领域的生产能耗和维护造价，更好地实现可持续发展。

1 纤维复合材料性能优势

相比传统的水泥、钢筋或混凝土等建材而言，纤维复合材料拥有独特的优异性能，具体包括以下几方面。

（1）比强度、比刚度大。在密度方面，部分纤维复合材料，如碳纤维复合材料，其密度仅约为钢材的0.2，钛合金的0.3，这使得CFRP 材料的比强度显著优于常用的传统建材，如玻璃钢、超硬铝、高强钢等，且比模量均超过传统建材至少3 倍［5］。再如碳纤维T300/5208，其比刚度为钢材的5 倍以上。凭借轻质高强的特性，纤维复合材料能节约施工工期，降低施工复杂度。

（2）可设计性。纤维复合材料是传统纤维和树脂融合的产物，二者在性能上相互补充，取长补短，形成协同效果，在宏观上具有各自组分材料的优势，同时兼具自身新材料的独特性能。因此，用于结构材料时，纤维复合材料可针对结构功能需要，利用不同性能的材料进行组合设计，实现预期的性能要求。

（3）耐疲劳。常规情况下，金属材料的疲劳强度仅为其极限强度的2/5～1/2，而对于纤维复合材料，如CFRP，其在荷载工况下表现为黏弹性特点，能抑制裂缝扩张，抗疲劳特性佳。而处于静态时，CFRP 材料的破坏条件为极限强度应力的0.9 倍，可循环作用逾百次，而相同工况下钢材的破坏极限仅为强度应力的50%左右［6］。

（4）抗腐蚀。使用寿命方面，纤维复合材料是传统钢筋和混凝土的2 倍［7］，且大多为电绝缘材料，可以在酸碱等腐蚀性环境中长时间工作。将其用于近海结构的加固维修时，能够避免与海水发生化学反应，极大地提高了近海构筑物的服役年限，有效减少维修或改建频次，节约工程成本。

（5）结构功能/ 智能化。纤维复合材料具备良好的设计性，因此前期材料性能在一定设计条件下可具备智能化。如经特殊材料制成的复合材料梁体，能够针对不同的振动环境自动产生一定的变形，改变固有振动频率，降低相应振幅，从而提升框架结构的服役年限，减少结构噪声［8］。

（6）延性好、抗震性能优良。纤维复合材料的自振频率高，阻尼大，一般不会出现脆断现象。同时，大量纤维体相对独立受力，即使部分纤维受力断裂，仍可将荷载传递至其余纤维承担，表现出较好的延性破坏特征。

2 土建领域中的纤维复合材料应用

2.1 结构加固维修

在土建工程加固领域，纤维复合材料，尤其是碳纤维、芳纶纤维等复合片材的抗拉强度较高，是较为常见的结构修补加固材料。纤维复合材料作为结构补强材料的主要机理是通过树脂黏合剂，将纤维复合片材以一定方式粘贴排列于待修补构件表面，使其与结构构件整体受力，协同作用，进而实现构件裂缝修补或受力性能改善。

相比常规加固方法，如自重大、抗腐蚀性差、服役年限短的粘钢方法等，纤维复合片材加固施工较为便捷，加固效果显著，其能有效增强构件的承载能力，且不增加额外的自重与截面面积，同时能适应不同的加固环境。在实际应用中，纤维复合片材在加固时可适用于受弯、受剪及抗震等不同工况［9-10］。

2.2 纤维聚合物筋

纤维聚合物筋作为一种复合材料制品，相比钢筋而言，在热膨胀系数、与混凝土黏结性、抗腐蚀性、抗疲劳性以及自重和强度等方面，均有更好的性能表现，因此可一定程度上替代钢筋，形成纤维聚合物筋混凝土结构，并在地下连续墙钢筋笼、预应力钢筋等领域显示出较好的应用优势。纤维聚合物筋的类别较多，其中的纤维可以是传统的碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等，其制作机理为：先将各类细小纤维包裹在树脂母体中，再对其采用拉挤成型工艺形成细长条，然后对其表面做特殊工艺处理，最终形成复合材料成品。

纤维聚合物筋具备高强的性能，将其施加一定的预应力不但能充分发挥其力学特性，而且可实现纤维聚合物筋混凝土梁抗裂能力的提升。因此，在混凝土梁或柱构件中，纤维聚合物筋可替代传统钢筋作为加强骨架进行应用，如将碳纤维聚合物筋应用于体外预应力筋或无粘结预应力筋，以契合其抗腐蚀、低模量等特性，或者利用优异的抗疲劳、耐腐蚀性能，将其用于悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等缆索承重桥的主要竖向受力构件等。

2.3 纤维混凝土复合材料

作为土建工程中的主要原材，传统水泥混凝土存在脆性破坏、抗拉性能差等不足。纤维的抗拉强度较大，将其掺至水泥基体后，可形成强度高、耐久性好、延性优良且具备功能化特点的水泥基纤维复合材料，其中的纤维类别可包括碳纤维、智能纤维、钢纤维、玻璃纤维及芳纶纤维等。

2.3.1 纤维增强混凝土

针对传统水泥砂浆和混凝土材料的性能短板，为实现其性能的优化改良，可基于纤维阻裂机理［11］，通过掺入抗碱能力强、力学特性优异的纤维材料并以特定方式实现复合，从而形成纤维增强混凝土，提升传统的综合性能与应用价值。在纤维增强混凝土的发展早期，土建领域大多利用钢纤维进行增强改造，随着应用深入与技术拓展，后续相继研发出了玻璃纤维、芳纶纤维、防弹丝纤维以及碳纤维等增强复合混凝土，其中尤以碳纤维增强混凝土的性能最为突出，如耐强碱腐蚀、机械性能强大、耐水性好以及不惧温差等，其相关的应用也最为普遍。在土建领域，以碳纤维取代传统结构中的钢丝/钢筋，可在降低构件自重的同时，弱化钢筋混凝土结构的劣化趋势，既便于吊装，也能节约工期。另外，碳纤维具备一定的振动阻尼性能，能显著提升结构的抗震能力。相关研究［12］指出，在水泥混凝土中只需掺入约2%左右的碳纤维，即能大幅提升其抗拉与抗弯强度，同时也能进一步强化抗压强度。

2.3.2 功能/智能混凝土

随着现代化进程的发展，人们对智能建筑与智能材料的需求与日俱增，而纤维复合材料的出现能赋予传统混凝土更多的智能或功能，以满足不同使用工况的实际功能需求。

（1）屏蔽磁场水泥基复合材料。在某些需要屏蔽磁场的土建项目中，如工业建筑、机房、变电站等，为使建（构）筑物具备屏蔽功能，可在结构混凝土制备中掺入一定量的钢纤维。研究指出，乱向分布的短钢纤维具备电磁辐射屏蔽性能，其屏蔽能力与钢纤维的长度、体积、长径比等有关［13］。

（2）应变自感应混凝土。碳纤维的变形与所受应力具备相应的线弹性关系，因此可通过将碳纤维与水泥基材进行复合形成应变自感应混凝土，其可以借助复合材料中短切碳纤维，实现对混凝土受拉、受弯或受压等不同工况下的实时监测。

（3）自修复混凝土。以往的混凝土结构发生开裂后，一般需要通过外在措施进行加固补强。而在混凝土中掺入含有黏结材料的玻璃空心纤维时，在结构受损挤压引起玻璃空心纤维破裂后，可释放出黏结剂并使裂缝处重新愈合，实现自修复效果，此谓自修复混凝土。同时，还可在将编织纤维网掺入磷酸钙水泥基体中，借助水化、硬化、聚合等一系列反应，促进受损位置的自愈合［14］。