關于纖維復合材料在土木建筑工程應用

楊文東

【摘要】針對關于纖維復合材料在土木建筑工程應用問題，文中介紹了纖維復合材料與橋梁設計內容，探討了纖維復合材料的補強作用和纖維復合材料防護層的作用，指出纖維復合材料在土木建筑中具有重大的發展潛力，可以增強土木建筑的強度，在復古建筑的維修中將起到巨大的作用。

【關鍵詞】纖維復合材料 基礎結構 應用發展

纖維復合材料從20世紀60年代就開始應用于建筑業之中，那時只用做建筑物的預制組件、屋頂材料等，如火車站站臺一類建筑。一般站臺頂長50m，寬8～9m，纖維復合材料非常適合制作輕質高強的要求。1999年在瑞士Basel的一座5層建筑是使用纖維復合材料構件建筑精品。這座建筑的框架、門窗及部分室內設施完全由纖維復合材料組成。它的成功應用實踐了纖維復合材料在中型建筑的應用。

在近些年來，纖維復合材料由于它特有的功能，被引入土木建筑的基礎結構中，主要應用在高速公路、隧道、港口、橋梁、溝槽、護堤壁、機場、水壩、水處理設施及下水道工程。據統計現已占纖維復合材料市場的30%左右。這主要源于纖維復合材料的特殊性質，它自身結實而有剛性，提供了優良的比強度及高抗蠕變性，優越的抗候性與溫度變化的承受力，抗紫外線、潮濕及大氣污染，高抗沖擊強度，同時，選擇合適的樹脂還可具有阻燃性，良好的尺寸穩定性及耐熱性。用戶可以從很廣的范圍中選擇顏色與外型，具有很大的設計多變性。目前土木建筑結構中纖維復合材料新產品的使用開發主要有兩大類，其一是用做混凝土鋼筋，尤其是在那些防腐維修費用高的工程中；其二是修理或加固目前使用的混凝土結構，如受損的橋面或者提高基礎的強度等，都可以應用纖維復合材料增強。

1纖維復合材料與橋梁設計

在橋梁設計中，纖維復合材料已逐漸被土木工程師應用到設計中。步行橋是橋梁使用纖維復合材料的一個起點，尤其是由于地理環境復雜，大型起重設備無法進入的地區或，在這時纖維復合材料的使用價值就明顯體現出來。利用它輕質高強的特點，橋的主體結構可以在制造廠中預裝成構件，在現場只需進行安裝。許多纖維復合材料步行橋在世界各地建造起來。例如，1992年蘇格蘭建成的一座113m長的斜拉橋，它是當時世界上第一座完全用擠拉復合材料建成的最長步行橋。1998年美國肯塔基州建成130m長的SandyRiver橋打破了這一紀錄。而目前世界上最大、最長的車行纖維復合材料橋于2000年11月在美國西弗吉尼亞建成，橋面長58m，寬17m，使用增強纖維復合材料制成的梯形/六邊形型材及美國亞什蘭化學公司生產的聚氨酯粘合劑膠接制成。美國圣地亞哥加州大學為軍隊設計的一座浮橋充分揭示了增強纖維復合材料在基礎結構中的潛在用途。這座橋跨距15·3m，以軟木做芯材的碳纖維/環氧樹脂結構僅重5500kg，比鋁質的還輕，兩片這樣的橋面可以通過105t的軍用履帶運輸車，而相應的鋁橋載重僅70t。該橋橋面及側壁使用的是JOHNSTON增強復合材料公司的12K碳纖維束及BALTEK公司生產的軟木夾心芯材。采用SCRIMP工藝，環氧樹脂以多注口低壓注入到預成型的纖維布中，輔以真空袋成型，并在170℃固化。通過測試，承載了70t重的坦克及100t重的運輸車進行了5000次的測試。纖維復合材料以自身的性能優勢證明了它的應用前景。

2纖維復合材料的補強作用

建筑界出于環保及經濟的考慮，很希望在基礎結構中使用簡便而有效的結構補強技術。對于城市基礎設施中最常見的鋼混結構，使用外部粘接鋼板補強的方法已經很多年。其不便之處在于鋼板的運輸與安裝不便及鋼板的易腐蝕。使用復合材料就克服了這方面的問題。在歐美一些國家，很多橋梁已使用了50年左右，橋梁結構已有破損。據統計，美國大約有100，000座橋梁需要徹底檢修或更新；歐洲科學家們重點對早期在鐵路沿線上建成的鑄鐵橋及鋼鉚釘橋進行了大量研究后認為，這些橋在全歐洲有100，000座，其中三分之一以上需要進行升級或補強以承載新發展起來的高速列車。因此，復合材料將大有用武之地，也為復合材料進一步推廣提供了一個非常好的機會。

3復合材料防護層的作用

另外一種對建筑物及橋梁的支柱、鐵梁、鋼梁加固的措施是對其外加保護層。建筑物支柱的外部增強使用纖維復合材料意義重大。加固的防護層能提高柱體的抗剪切及抗壓縮應力，提高抗沖擊性。這項應用在地震頻發區如日本、臺灣及美國的許多州已經逐步推廣。美國舊金山、洛杉磯地震及日本阪神地震后，大批的建筑、高架橋、高速公路毀壞，因此這項技術最早是在美國及日本發展起來。約有150項補強新技術在日本、加拿大、美國用于實際施工中。超過3000座以上的橋已經用包括玻纖、芳綸纖維及碳纖維增強環氧或聚酯復合材料防護層進行了加固，我國近年地震災害較大，也可以利用新興的纖維復合材料進行加固維修。國外在對鋼結構建筑的鋼梁進行加固時，采用碳纖維/環氧樹脂預浸工藝。這種方法可以在狹窄的環境下使用最簡單的施工步驟。首先對鋼梁表面進行處理，去除表面腐蝕層，清洗表面，去除油脂并涂硅膠衣以保持干燥；然后用環氧粘接劑噴涂在清潔而干燥的表面。將碳纖維預浸料沿著鋼梁的形狀放置好后，對其加熱升溫，促使樹脂向纖維中滲透并充分固化；在預浸料固化期間，還要將其置于真空狀態下強化復合材料層面，盡可能多地將空氣去除。復合材料上施加的壓力通過纏繞在鋼梁上的真空袋獲得，確保材料與鋼梁在外形上保持一致。

4結語

纖維復合材料的使用量在不斷增長，尤其是在復古維修的建筑中，許多土木工程師都可以利用纖維復合材料不僅可以使建筑物的外貌煥然一新，而且可以極大的增強其強度。因此，雖然新型的纖維復合材料結構初期投入比較昂貴，但它的作用是其它原料不能比擬的。

參考文獻：

[1]王茜.纖維復合材料在土木建筑工程中的應用進展[J].知識經濟，2012-03-23.

[2]鄧文，崔建偉，張慧萍等.纖維復合材料在土木建筑工程中的應用[J].產業用紡織品，2008-06-25.