纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)展

摘 要：纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗腐蝕和耐疲勞等特點(diǎn)，在土木建筑工程中可替代傳統(tǒng)的混凝土、木結(jié)構(gòu)、鋼和鋼筋材料。介紹了在土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的主要類型及其應(yīng)用優(yōu)勢和現(xiàn)狀，對存在的問題進(jìn)行了簡要敘述。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；土木建筑；智能復(fù)合材料；橋梁；混凝土

纖維復(fù)合材料有良好的性能，能夠承受惡劣的條件，廣泛應(yīng)用在土木工程建筑中，它能夠用于橋梁加固，結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固，抗腐蝕，還可以實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)的自己診斷和自己修復(fù)的功能。纖維復(fù)合材料已經(jīng)替代了傳統(tǒng)的建筑材料，為紡織業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，開辟了新的領(lǐng)域，與此同時，也為建筑施工解決了一些技術(shù)難題，而且還能夠保護(hù)環(huán)境。

1 纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢

1.1 性能可設(shè)計(jì)性

當(dāng)把纖維復(fù)合材料用做結(jié)構(gòu)材料的時候，他可以達(dá)到單一材料所不能達(dá)到的要求，因?yàn)樗粌H包括基體材料，還包括增強(qiáng)材料，屬于結(jié)合體，在性能方面可以保持原材料的特點(diǎn)，而且還能發(fā)揮組合后的新性能，最重要的一點(diǎn)是可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要來設(shè)計(jì)。

1.2 過載安全性好

纖維復(fù)合材料含有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)過載的時候，復(fù)合材料中可能會有少量的纖維斷裂，在這種情況下，載荷會快速的被分配到?jīng)]有損壞的纖維上，這樣就不會造成工程中的構(gòu)建在失去承載能力的時候瞬間斷裂。

1.3 良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性

像鋼筋這種傳統(tǒng)的建筑材料沒有抗腐蝕性，尤其在近海的建筑工程中，很容易就與空氣、海水以及污水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這樣就不能發(fā)揮建筑材料的作用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。多數(shù)的纖維復(fù)合材料都有很好的絕緣性，使用這種材料所制作的構(gòu)件具有良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性的能力。

1.4 良好的抗震性能

纖維復(fù)合材料不容易出現(xiàn)共振，在通常的加載速度以及頻率條件下不會快速斷掉。由于所存在的界面比較大，一旦有震動，靠著強(qiáng)大的振動阻尼性，會快速衰減。

1.5 高的比強(qiáng)度和比剛度，抗疲勞性好

碳纖維T300/環(huán)氧5208是一種纖維復(fù)合材料，他的比強(qiáng)度是鋁的6.3倍，是鋼的5倍，他的比鋼度是鋁的4.16倍，所以在建筑施工中使用纖維復(fù)合材料不僅能夠降低工程的復(fù)雜性，還能夠大大縮短工期。纖維復(fù)合材料抗疲勞性也很好，普通金屬的疲勞強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的40%～50%，一些纖維復(fù)合材料可以達(dá)到70%～80%。

1.6 智能性，欣賞性

如果使用智能的纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)也智能化，比如梁使用智能復(fù)合材料來制作，在熱電的控制下，能夠產(chǎn)生形狀的變化，改變梁的固有振動頻率以及固有剛性，延長建筑物的壽命。優(yōu)于材料材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，所以產(chǎn)品的形狀不會受到限制，還可以任意著色，達(dá)到結(jié)構(gòu)與美學(xué)的統(tǒng)一。

2 纖維混凝土復(fù)合材料

在建筑施工中，水泥混凝土是重要的材料，水泥的脆性大，抗沖擊性以及抗拉的強(qiáng)度都比較低，所以在水泥的基體中加入鋼纖維、碳纖維以及智能纖維形成的復(fù)合材料強(qiáng)度高、韌性高、智能化。

2.1 纖維增強(qiáng)混凝土

纖維增強(qiáng)混凝土是把力學(xué)性能好，抗堿性強(qiáng)的合成纖維與混凝土結(jié)合在一起，從而改善混凝土的物理性能以及力學(xué)性能，提高混凝土的使用價(jià)值。其理論基礎(chǔ)來源于纖維阻裂機(jī)理（或稱纖維間距理論）和復(fù)合材料機(jī)理。這兩種理論的提出極大地促進(jìn)了纖維混凝土的發(fā)展。1970年初，鋼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為最早的纖維增強(qiáng)水泥和混凝土實(shí)用化產(chǎn)品應(yīng)用于土木工程中，而后相繼出現(xiàn)了玻璃纖維混凝土、Aramid纖維混凝土、Kelver纖維混凝土、C纖維增強(qiáng)混凝土，其中以C纖維增強(qiáng)混凝土性能最優(yōu)，具有普通增強(qiáng)型混凝土所不具備的優(yōu)良機(jī)械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強(qiáng)堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸的穩(wěn)定性。用碳纖維取代鋼筋或鋼絲，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動阻尼特性，可吸收震動波，使防地震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。

2.2 功能、智能混凝土

現(xiàn)代社會科技發(fā)展迅速，人們對建筑物的要求也越來越高，混凝土的材料不僅要能夠承受荷載，還要智能化，多功能化。纖維復(fù)合材料在混凝土當(dāng)中應(yīng)用有：溫度自調(diào)節(jié)混凝土、屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料、損傷自診斷混凝土、導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料等。

2.2.1 溫差水泥基復(fù)合材料

該材料的制備機(jī)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(yīng)：即溫差電動勢E與溫差$t之間在最高溫度為70e，最大溫差為50e的范圍內(nèi)存在穩(wěn)定的線形關(guān)系。利用這種特性該混凝土材料能實(shí)時監(jiān)測建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。

2.2.2 屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料

不管是路面還是建筑物都必須具有屏蔽磁場的功能，為了讓它們具有這種功能，一般情況下會在混凝土當(dāng)中加入鋼纖維，形狀是曲別針的形狀，從而達(dá)到屏蔽的作用。通過研究表明，在混凝土當(dāng)中加入5%體積的曲別針就能夠達(dá)到屏蔽磁場的效果。

2.2.3 應(yīng)變自感應(yīng)混凝土

這種纖維混凝土是把碳纖維等等均勻摻入水泥當(dāng)中，從而讓水泥具有應(yīng)變自感的功能，可以自己感知內(nèi)部的應(yīng)力以及損傷的程度，從而敏感地檢測壓、拉、彎等狀態(tài)的內(nèi)部情況。

2.2.4 水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料

這種纖維水泥復(fù)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(xué)者采用纖維氈作為吸附電磁波的功能組分，制作了輕質(zhì)兼有防震功能且對電磁波吸收可達(dá)90%以上的幕墻。此外，文獻(xiàn)表明該類型纖維復(fù)合材料，不僅有屏蔽電磁波的功能，還能用于近年發(fā)展起來的智能交通系統(tǒng)導(dǎo)航。

由于傳統(tǒng)材料如鋼、混凝土、木材受自身特性的限制而無法在修復(fù)中使用，同時，由于地球上的材料資源是有限的，天然建筑材料已出現(xiàn)不足，各國都在努力開拓輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能的人造材料。所有這些都為纖維復(fù)合材料應(yīng)用于土木建筑工程提供了廣闊的前景。

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