- 相關推薦
纖維復合材料在土木建筑工程中的應用
摘要：針對土木和建筑工程的發展趨勢，探討纖維復合材料在土木和建筑工程中應用的優勢。介紹了國內外纖維復合材料在土木和建鞏A-A-J- 中應用的進展。
關鍵詞：纖維復合材料，土木工程，建筑工程，應用
0、引言
建筑工業在國民經濟中占有很重要的地位，不論是哪一個國家建筑工業都是國民經濟的支柱產業之一。隨著社會的進步，人們對居住面積、房屋質量和娛樂設施等提出越來越高的要求，已成為推動建筑工業改革發展的動力。建筑工業現代化的發展方向是：改善施工條件、加快建設進度、降低成本、提高質量、節約能源、減少運輸、保護耕地、保護環境和提高技術經濟效益等。為了達到此目的，必須改善現有的建筑材料和發展新型建筑材料?。
隨著軍工生產與航空航天而發展起來的纖維復合材料，由于具有良好而獨特的性能，適應了現代工程結構向大跨度、高聳、重載、高強和輕質方向的發展，在土木建筑工程中的應用日益擴大。纖維復合材料在建筑領域的應用主要分為兩類：一類是剛性復合材料構件，如粱、柱、骨架結構等;另一類則是柔性復合材料構件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等膜構件材料 J。纖維復合材料替代傳統建筑材料應用于土木建筑工程，既為紡織行業開辟了新的發展領域，注入了新的活力，同時也為土木建筑業解決一些技術難題如能耗大、不利于環境保護等提供了新的途徑。
本文闡述纖維復合材料在土木建筑工程中的特點極其應用等，為紡織品在該類行業的推廣提供參考。
1、土木建筑工程中纖維復合材料的特點土木建筑工程中纖維復合材料有如下幾方面特點。
(1)材料性能的可設計性：纖維復合材料作為結構材料應用時，由于其是基體材料和增強材料等組分材料的組合，既可保持原組分材料的某些特點，又能發揮組合后的新特性，且可根據結構需要進行設計，以滿足單一材料無法達到的性能要求。
(2)高的比強度和比剛度：一些纖維復合材料如碳纖維T300/環氧樹脂5208的比強度是鋁材的6.3倍、鋼材的5倍，比剛度為鋁材的4。16倍，因此纖維復合材料是一類輕質高強建筑材料。
(3)抗疲勞性能好：一般金屬的疲勞強度為拉伸強度的40% ～50% ，而某些纖維復合材料的疲勞強度可達其拉伸強度的70% ～80% ，具有良好的抗疲勞性能。
(4)良好的抗化學反應和化學腐蝕性：傳統建筑材料如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學物質發生反應，使土木工程不能發揮應有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復合材料是優良的耐腐蝕材料，用其制作的設備或構件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學介質侵蝕的能力。
(5)良好的抗震性能：纖維復合材料相對傳統建筑材料自振頻率甚高，不易出現共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現因共振而快速脆斷的現象;同時因為其存在大量的界面，振動阻尼性也很大，一旦激起振動，衰減也快。
(6)過載安全性好：在纖維復合材料中，由于有大量獨立的纖維，當過載時復合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構件在瞬間喪失承載能力而斷裂。
(7)高美學欣賞性：纖維復合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結構型式和材料美學的高度統一。
(8)結構功能/智能化：在土木建筑工程中應用智能纖維材料，還可以使結構具有一定的智能功能。例如美國人在建筑物中使用智能復合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產生形狀和張力的變化，從而根據建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結構的壽命大大延長，達到了建筑物結構噪聲與振動的主動控制 J。
2、纖維復合材料在建筑行業中的應用
2.1 纖維材料增強混凝土的應用在建筑業中，混凝土是一種不可或缺的材料，它的用量也較大，一般多以鋼筋來增強，但由于鋼筋本身易受酸堿作用產生腐蝕，從而對混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的混凝土產品。
纖維混凝土是在對混凝土的創新過程中應運而生的一種產品，最早使用的多為鋼纖維、玻璃纖維和維綸增強混凝土。目前使用的較為新型的有碳纖維、芳綸和丙綸混凝土。在纖維增強混凝土中，纖維用來充當增強材料，纖維的本身性能如強度、模量、斷裂長度等和纖維在此中的空間結構、體積含量等都決定著混凝土的性能。纖維增強混凝土分為短纖維增強混凝土和長纖維增強混凝土。
短纖維增強混凝土中的纖維一般切成幾毫米至幾十毫米長度，隨機摻人砂漿基材之中，可以替代或部分替代鋼筋。與傳統混凝土相比，它的拉伸強度和抗彎強度大，防裂性能好，多用于內外裝飾板材和部件。長纖維增強混凝土多采用連續碳纖維、芳綸等制成棒狀、網狀或三維異型織物，用環氧樹脂或乙烯酯樹脂制成纖維增強塑料骨架，以替代鋼筋構成新型復合混凝土材料，常用作墻板、護墻板和主體建筑物。一般來說，長纖維增強混凝土的性能優于短纖維增強混凝土。
2.1.1 常用各種不同類型纖維混凝土的特點傳統的混凝土結構隨著時間的推移，其腐蝕、劣化問題不斷發生，其中以鋼材銹蝕最為常見。這不僅影響到工程結構的正常使用和壽命，還會產生工程安全事故及隱患。鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應用有限;玻璃纖維的拉伸強度高于鋼筋，其重量只有鋼筋的四分之一，受水泥和海水的侵蝕遠遠低于鋼筋，但玻璃纖維易折斷，不耐堿，應用有污染;丙綸加工工藝簡單，價格低廉，性能優異，丙綸增強混凝土很好地解決了建筑生產中出現的問題，避免和減少了鋼材銹蝕事故的發生，近年來得到推廣應用。碳纖維具有低密度、高強度、高硬度的多種特點，抗拉強度和彈性模量高，導電導磁，能耐惡劣環境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結良好，但碳纖維因為導電導磁有些建筑不能應用，且碳纖維成本較高;芳綸輕質高強，柔韌性好，力學性能介于碳纖維和玻璃纖維之間，而且是電場、磁場的絕緣體，不會對電場、磁場產生干擾，但芳綸價格也高。新型纖維增強混凝土的應用逐漸增多。
2.1.2 功能、智能纖維混凝土隨著社會和科技的發展，混凝土材料不僅要承受荷載，還要適應多功能和智能建筑的需求。纖維復合材料應用于功能/智能混凝土主要有：屏蔽磁場水泥基復合材料、水泥基屏蔽電磁波復合材料、應變自感應混凝土、溫差水泥基復合材料、自修復混凝土、導電水泥混凝土等。
(1)屏蔽磁場水泥基復合材料：為了使路面和建筑物具有屏蔽磁場的功能，一般采用在混凝土中加入別針形的鋼纖維來達到屏蔽作用。研究結果表明，在混凝土中摻人5% (體積)的鋼質別針即可獲得較好的屏蔽磁場效果。
(2)水泥基屏蔽電磁波復合材料：這種纖維水泥復合材料是在水泥基中加入纖維(如碳、鋁、鋼等)來獲得屏蔽電磁波的功能。日本學者采用纖維氈作為吸附電磁波的功能組分，制作了輕質兼有防震功能且對電磁波吸收可達90% 以上的幕墻。
此外，文獻表明該類型纖維復合材料不僅有屏蔽電磁波的功能，還能用于近年發展起來的智能交通系統導航。
(3)應變自感應混凝土：該類型纖維混凝土是將碳纖維等物質均勻分散摻入到水泥基材中，使其具有自感知其內部的應力、應變和損傷程度的功能。如美國學者將短切碳纖維摻入混凝土材料中，使其可以敏感有效地監測拉、彎、壓等各種狀態下材料的內部情況。
(4)溫差水泥基復合材料：該材料的制備機理是將切短的碳纖維適量摻入混凝土材料中使其具有熱電效應，利用這種混凝土材料能實時監測建筑物內外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。
(5)自修復混凝土：該混凝土將含有粘結劑溶液的玻璃空心纖維混入混凝土，混凝土材料在外力作用下發生開裂后，玻璃空心纖維就會破裂而釋放粘結劑，粘結劑流向開裂處，使之重新粘結起來，達到愈傷的效果。此外，美國還根據動物骨骼的結構和形成機理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥(含有單聚物)為基體材料，其中加入多孑L的編織纖維網，利用多孑L纖維在水泥水化和硬化過程中釋放出聚合反應引發劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應留下的水分參與水泥水化，使纖維網的表面形成大量互相穿插粘結的有機及無機物質，制成類似動物骨骼結構的無機有機相結合的復合材料。同時當混凝土發生損傷時，多孑L有機纖維會釋放聚合反應引發劑，與單聚物聚合成高聚物，使損傷愈合。
(6)導電水泥混凝土：在水泥基體中摻入適量纖維導電材料碳纖維或金屬纖維，不僅可以使水泥基復合材料具有良好的導電性，還能改善它的力學性能，增加延展性。導電水泥混凝土可應用于工業防靜電結構，道路路面處的化雪除冰，住宅的電熱結構 。
2.2 纖維復合材料的涂層織物在建筑材料方面的應用涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得的復合材料。作為底布的織物起著骨架的作用，承擔著復合材料的抗張強力、撕裂強力、尺寸穩定性等方面的功能;涂層劑則承擔著保護底布組織以及表面特性(如防水、耐蝕)的職能�；际峭繉涌椢锏墓羌�，它的性能影響著最終產品的性能�；甲畛醵嘤妹蘅椢�，但由于棉織物易霉、怕腐蝕，布身重，使用壽命短，故隨著化纖業的發展逐漸棄用，開始大量采用維綸、滌綸、錦綸等，芳綸、玻璃纖維制作基布效果也較為理想，但因成本高不宜于大量使用。在制成織物上，實際應用中仍以機織物為多。這是由于機織物的拉伸強度和模量比較高，斷裂伸長小，具有較好的應力一應變關系，且織物受外力后抗變形能力強，結構穩定，同時孔徑均勻，孔隙尺寸易控制。涂層劑的選擇品種很多，它賦予涂層織物以不同的性能，比如有機硅可使涂層織物具有透濕性，同時又具有防水性;聚丙烯酸酯涂層劑則有良好的耐光熱性。所以應根據涂層織物的應用場合不同，選擇涂層劑。涂層織物在建筑中主要用作膜結構建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂等 。
(1)膜結構建筑材料：涂層織物重量輕，易安裝、拆移，結構輕巧美觀，經久耐用，且具有一定的保溫性，是一種新興的建筑材料，具有傳統建筑材料不可比擬的優越性。用涂層織物作膜結構建筑材料，對于增強房屋功能，延長建筑物使用壽命具有重要的社會意義和經濟價值。
(2)篷蓋布：早期的篷蓋布由于采用棉織物為基布，易老化，使用壽命短，不能適應多功能的要求，化纖/合纖涂層織物具有更優的特性，如滌長絲篷蓋布材料輕薄、軟質、堅牢、防水、阻燃 防霉，競爭優勢明顯 。
(3)軟性屋頂：用涂層織物作建筑物的屋頂在國內外已屢見不鮮。最早的軟性屋頂始于上世紀50年代末的德國，其后獲得快速發展，如：美國紐約世博會、沙特佳大赫海奇機場都大量使用了軟性屋頂。軟性屋頂一般分為兩種方式：一種為帳篷式，一種為充氣式。特別是充氣式屋頂(采用風機充氣后密封，當氣壓不足時可自動充氣)，柔軟，流動性好，具有可變形的特點，且不用柱子支撐，對于抵抗強風的破壞作用性能極佳。隨著織物生產工藝的發展，作為基布的織物強力提高，對擴大軟性屋項的應用有很好的幫助。比如用高強滌綸布作軟性屋頂，其充氣房屋跨度為75 m，如能提高織物的強力，它的跨度可達150 m，面積顯著增大 。
2.3 纖維復合材料在結構補強材料上的應用纖維復合材料應用于土木建筑工程中的結構補強材料主要采用纖維片材修補、補強形式。所謂連續纖維片材修補、補強是指在現有混凝土結構物的表面用樹脂粘合劑粘貼定向排列的連續纖維片材，通過其與結構或構件的協同工作，達到對結構構件補強加固及改善受力性能的一種結構外部加固技術 。傳統的結構補強材料是鋼板，它自重大、施工不便且耐腐蝕性差、易老化�，F在土木建筑工程中結構補強材料通常使用的纖維是碳纖維和芳綸。碳纖維適合鋼筋混疑土建筑物結構變更、使用荷重增加、強度不足、抑制裂縫延長等的加固維修工程;芳綸柔韌性好，更適合纏繞修補、增強柱狀結構等。連續纖維片材結構補強材料與傳統的粘鋼板技術相比，其加固技術具有明顯的技術優勢，表現為：
(1)高強高效：由于纖維復合材料輕質高強等優異的物理力學性能，可在對原結構幾乎沒有影響的情況下大大提高被加固構件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震性能;(2)施工方便、質量和工效高：纖維質輕性柔，可手工纏繞在混凝土表面而無須使用大型機具，也不需要焊接，無濕作業，噪聲及灰塵極小;(3)防護、維護性能好：由于纖維復合材料往往具有很好的耐腐蝕及耐久性能，可抵抗各種酸、堿、鹽對結構物的腐蝕。用該加固技術對結構處理后，不僅不需要定期維護，而且對內部混凝土起到了保護作用 ;(4)適用面廣：由于復合材料片材較柔軟，可用于各種結構形狀和各種結構類型建筑物的修補，達到不改變結構形式又不影響結構外觀的效果;(5)有利于實現智能化：如用碳纖維片材作加固材料，可根據加固修復部位導電性能的變化情況，實現對該部位的安全檢測與診斷。瑞士已成功運用纖維復合材料對損壞的跨長39 m的伊巴赫橋進行加固，使其滿足了承載力的要求。日本也廣泛采用了這項技術對受損橋梁及建筑進行了加固，取得了明顯的經濟效益。國內湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋以及南京長江大橋引橋等，也都采用了環氧樹脂粘貼玻璃布形成玻璃鋼的方法進行補強加固。研究表明，用先進復合材料板代替鋼板加固混凝土梁可節約資金25% 。
3、結束語
建筑材料的發展在建筑中占有極其重要的地位，隨著紡織工藝技術的發展，纖維復合材料作為一類新興的先進材料，在建筑業中的應用必將越來越廣泛。
用于結構補強材料的纖維復合材料中常見的碳纖維、芳綸和玻璃纖維中，從各方面性能來看，碳纖維應優先采用。不論是碳纖維布，或是碳纖維索，在工程中應用都是較合適的。而且，現階段碳1途徑和方式，不僅可用于建筑結構或是橋梁結構的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結構加固。
雖然現階段利用碳纖維復合材料對結構構件進行加固已經取得了極大的成就，但是由于碳纖維材料應用時間較短，以及它與結構構件之間結合面的復雜性，使研究工作面臨許多困難。研究方法的單一，假設條件過多等原因都使研究的結果比較粗糙，與實際情況有很大差別，這也限制了碳纖維材料在更多的領域里充分發揮自身的優越性能，這些問題都有待于進一步的探討。
參考文獻
[1] 洪杰。紡織復合材料在建筑中的應用[J].陜西紡織，2005，2(66)：4547.
[2] 鄧炳耀，晏雄。紡織結構復合材料的設計與應用[J].紡織導報，2005(9)：35-39.
[3] 王騰，郭燕坤。纖維復合材料在土木建筑工程中的應用進展[J].紡織科技進展，2006(2)：14.16.
[4] 康軍紅，劉曉峰。碳纖維復合材料在閘墩混凝土裂縫處理中的應用[J].水科學與工程技術，2006(2)：28.29.
[5] ROYE A，GILE T.經編間隔織物制作的新型纖維增強紡織復合材料[J].國際紡織導報，2006(12)：34-35.
【纖維復合材料在土木建筑工程中的應用】相關文章：
復合材料對土木工程的應用03-28
建筑工程中聚丙烯腈纖維的應用論文11-29
粘彈性模型在聚酯纖維瀝青混凝土中的應用03-07
淺談玻璃纖維樁在前牙修復中的臨床應用03-04
碳纖維復合材料制備及電容性能研究論文11-13
玄武巖纖維增強木質復合材料研究11-14
論鋼結構在土木工程中的應用11-19
探析防火卷簾在建筑工程中的應用03-07