復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用

高云風

中國二十冶集團有限公司

復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用

高云風

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從目前土木工程建設中所使用的復合材料來看，F(xiàn)RP作為一種新型的復合材料，被廣泛的應用到工程施工建設過程中。FRP復合材料不僅具有重量輕、成型便捷以及強度高等特征，而且其耐腐蝕性能相對比較強。與傳統(tǒng)的鋼材與混凝土土木工程建筑施工材料相比，復合材料材料的出現(xiàn)能夠有力補充其在施工工程中的不足。就目前建筑行業(yè)的發(fā)展形式上看，F(xiàn)RP復合材料在未來五十年內(nèi)具有良好的發(fā)展前景。本文將對復合材料在土木工程的發(fā)展應用做簡要的分析與闡述，以供參考。

土木工程；復合材料；發(fā)展與應用

在工業(yè)領域，復合材料主要指的是在物理技術及化學技術的作用下，將一些具有不同性質(zhì)的材料制作成一種在宏觀或微觀領域具有一定新特點的新型工業(yè)材料的過程。對不同材料的自身優(yōu)點的發(fā)揮，是這一材料在實際應用過程中表現(xiàn)出的一種主要特點。在20世紀50年代，針對當時新中國所面臨的百廢待興的局面，在蘇聯(lián)專家的幫助下，我國學者開始對復合材料問題進行了探究。在20世紀80年代，混凝土結構外貼玻璃纖維在土木工程領域的應用，讓土木工程的防腐功能得到了一定程度的強化。隨著土木工程技術的不斷發(fā)展，碳纖維復合材料在土木工程中的應用，對土木工程中的橋梁工程等問題的優(yōu)化，起到了一定的促進作用。在對與復合材料有關的問題進行探究的過程中，我們可以對這一材料在土木工程領域中的應用問題進行探究。

1 復合材料的發(fā)展歷程

隨著科學技術的發(fā)展，一大批新型材料被開發(fā)出來以適應社會快速發(fā)展的需要，復合材料(FRP)也順應時代的需求而誕生。FRP的主要組成部分是芳綸、碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等，這些都屬于高性能的纖維和樹脂，以它們作為基體進行混合，然后通過一定的加工工藝形成一系列具有獨特結構的材料。FRP相對于其他材料具有優(yōu)越的性能：強度高、質(zhì)量小、耐腐蝕性強并且施工方便，在土木工程中獲得越來越多的關注，現(xiàn)在經(jīng)常見到FRP與混凝土、鋼筋等材料結合用于土木工程中，并且土木工程正在不斷研究將FRP應用在各類結構物中。

20世紀五六十年代人們就開始研究在民用建筑中使用FRP，1961年英國Smethwick將GFRP應用在1座教堂的尖頂，1970年英國利物浦將GFRP作為連續(xù)梁用在1座人工天橋上。我國在20世紀50年代末探索使用玻璃纖維替代鋼筋用在混凝土構件中，到20世紀七八十年代人們開始大量研究FRP在結構工程中的應用：1972年云南用GFRP做成了1個雷達天線罩；1982年北京密云使用GFRP建造了1座公路橋，承重能力極強。最初FRP在土木工程中用作結構加固，使用FRP加固后的土木工程在地震中表現(xiàn)出良好的性能，從而獲得了人們的一致認可，開始大規(guī)模的應用FRP，到了21世紀初，F(xiàn)RP已經(jīng)成為一種應用廣泛的土木工程材料，我國現(xiàn)在每年都會使用大量的復合材料。

2 復合材料在土木工程中的作用

隨著科學技術的不斷發(fā)展，復合材料已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中的多個領域得到了應用，汽車工業(yè)中汽車車身的制作工藝離不開復合材料的支持。人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸的復印機和打印機，也對這一材料進行了一定程度的應用。在對這一材料在土木工程施工項目中的應用問題進行探究之前，我們首先需要對這一材料在土木工程中所表現(xiàn)出來的作用進行探究。從這一技術在土木工程中的應用現(xiàn)狀來看，結構加固補強作用，是這一材料在土木工程施工領域所發(fā)揮出來的主要作用。在筆者看來，這種結構加固補強作用主要指的是對土木工程項目自身的受力性能進行強化的一種有效方式。2008年四川汶川發(fā)生嚴重地震災害以后，有關部門在災后重建過程中就對這種復合材料進行了應用，從這一技術的應用效果來看，它對地震中受損的建筑物的加固修復工作起到了一定的促進作用。

3 復合材料在土木工程中的主要應用

3.1 工程結構的加固補強

針對復合材料的應用，主要是利用各種方法，使FRP在構件表面受力進行附著，這樣一來，原有構件才會有效的增強其受力性能。上世紀八十年代，在工程實踐當中，利用混凝土結構外貼玻璃纖維，使復合材料的加固方法得到有效的增強。主要是將防腐作用充分的發(fā)揮出來，與此同時，結合律鋼絲和混凝土，因此這種嘗試并沒有得到推廣。在九十年代初期，利用碳纖維增強復合材料，有效的加固了多跨連續(xù)箱形橋梁，并且取得成功，促進纖維增強復合材料的加固結構修復技術得到有效的推廣，并且在實際工作當中得到快速的發(fā)展，在實際工程當中得到廣泛的應用，通過實踐，驗證了FRP加固技術在工程結構當中的強大優(yōu)越性。我國在1988年完成了有關CFRP的加固工程，為我國的FRP發(fā)展奠定了堅實的基礎，在我國一些重大的工程當中得到廣泛的應用，F(xiàn)RP加固技術在建筑重建當中發(fā)揮著不可代替的作用。當前各種類型的結構加固當紅成功運用了FRP，涉及到的領域不僅包括建筑結構和橋梁結構，水工結構和地下結構也被包含在內(nèi)。

3.2 FRP筋索和預應力FRP筋混凝土結構

土木工程中所采用的FRP材料，其纖維占有比重相對比較大，筋度重量相對比較小，并且其強度范圍相對比較高，相當于常規(guī)鋼筋的多倍。FRP纖維材料的耐腐蝕性的特點較為突出，同時也是能夠有效的替代鋼筋的主要性能之一。在土木工程建設當中，其不僅能夠有效的避免出現(xiàn)由于鋼筋出現(xiàn)銹蝕，破壞工程結構的現(xiàn)象發(fā)生，而且還能有效的節(jié)約工程的維修成本，提高工程建筑企業(yè)的經(jīng)濟效益。除此之外，F(xiàn)RP材料的非磁性特點也較為突出，并且符合相關工程所要求的無磁性的標準。FRP索在道路橋梁建設工程中有著廣泛的應用，其能夠有效的發(fā)揮纜繩的作用，可以作為預應力筋來使用。在上個世紀六十年代，配筋的方式廣泛的應用到道路橋梁建設混凝土建設當中，其主要目的是利用GFRP的基本性能，有效的避免有些特殊地區(qū)受到不利因素的影響，比如說沿海以及部分寒冷地區(qū)出現(xiàn)的鹽蝕現(xiàn)象。由于GFRP在價格上相對不是很高，耐久性相對比較強，并且工程施工上相對比較簡單，在工程建設中使用的相對比較廣泛。近幾年，在國內(nèi)工程建設中，使用的較為廣泛的是配套錨夾具、索產(chǎn)品以及FRP筋等工程施工材料。通過對FRP筋混凝土的研究中不難發(fā)現(xiàn)，其主要包含以下兩方面的內(nèi)容：第一方面是筋與工程混凝土之間的粘結問題，如果粘結達不到理想中的效果，并且采用不佳的處理方式，其粘結效果發(fā)揮不到應有的作用；另一方面利用FRP筋混凝土在力學方面的主要性能，這主要是由于FRP筋所具有的彈脆性的特點，這與傳統(tǒng)的混凝土承受力存在方式有所不同，由于其立足點不同，在土木工程建設工程一定要視情況而定。

3.3 FRP和傳統(tǒng)材料結合

不同種類FRP之間或者FRP和鋼筋、混凝土之間可以進行混合使用，互相取長補短，增加性能，形成新的結構體系就是FRP組合結構。主要有以下幾種。1)在FRP管中加入混凝土形成FRP-混凝土組合構件，混凝土受到FRP管的約束，F(xiàn)RP管還兼具模版的作用加快施工進度，且具有很強的持久性能。2)將FRP包裹在空心鋼管外，再用混凝土填充鋼管和FRP，F(xiàn)RP用作模版，鋼管用來承重，F(xiàn)RP和混凝土保護鋼管，混凝土受到約束作用，承載能力大大提高。3)在工程構件下部使用FRP，上部使用混凝土，形成FRP-混凝土組合梁，可以更加充分地利用FRP，但是其中保證FRP和混凝土之間連接部分是關鍵部分。4)在鋁合金管的外表面包覆FRP形成CFRP-鋁合金組合構件，該組建可以把鋁合金和FRP的質(zhì)量小、強度高、耐腐蝕性強的優(yōu)點充分發(fā)揮出來，并且也解決了FRP比較脆、連接困難和鋁合金較難進行彈模的問題，因此具有相當廣泛的應用。

3.4 全復合材料結構

在對復合性材料的力學性質(zhì)進行探究以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，強度高是這一材料在力學領域所表現(xiàn)出的一種主要特點。從這一材料在實際應用中所表現(xiàn)出來的特點來看，耐腐蝕性和可設計性是這種材料所表現(xiàn)出的一種主要特點。從這一材料在土木工程中的表現(xiàn)來看，全復合材料結構在土木工程領域中的橋梁工程中有著較為普遍的應用。例如復合材料橋梁的快速架設技術的出現(xiàn)，就可以被看作是將全復合材料結構應用于土木工程的一種表現(xiàn)。在人們的日常生活中，在地震、火災、洪澇災害(泥石流)或臺風(颶風)災害發(fā)生以后，這一技術會在災害救援工作的開展過程中得到應用。在戰(zhàn)爭環(huán)境或軍事演習項目中，工程兵部隊所進行的橋梁架設作業(yè)，也可以被看做是橋梁應急快速架設措施的一種表現(xiàn)。不論是在災害環(huán)境下還是在戰(zhàn)爭環(huán)境下，橋梁的應急架設工作都會對橋梁機動性和標準化問題提出較為嚴格的要求。由于復合材料在日常生活中具有輕量化的特點，這就使得這種材料的應用問題引起了一些學者的關注。從這一技術的應用情況來看，服務于軍事領域，是這一技術的研究工作所表現(xiàn)出的主要特點。從這一技術的應用前景來看，隨著一些軍事領域的新型科研成果的問世，軍隊中的工程兵部隊在實戰(zhàn)環(huán)境下的橋梁架設能力會得到有效提升。

4 材料的發(fā)展與應用

4.1 增加科研投入、制定標準規(guī)范，助推復合材料跨越式發(fā)展

復合材料在土木工程中的應用離不開科研的支持，加大科研投入，能吸引更多更多的人才加入到復合材料的研發(fā)隊伍中，大大提升新材料、新技術、新工藝的研發(fā)進程。復合材料研發(fā)成功并投入市場應用后，必須積極吸取傳統(tǒng)混凝土工程、鋼筋工程等系列規(guī)范的制作經(jīng)驗，制定嚴格的復合材料加工、應用、施工、檢測等標準規(guī)范。我國的復合材料研發(fā)和標準制定已有數(shù)十年歷史，目前已初步形成了一些較為基礎的復合材料應用標準，如土木工程中復合材料工程應用技術規(guī)范、土木專用復合材料產(chǎn)品標準、通用復合材料試驗方法標準等，這些標準規(guī)范為復合材料在土木工程中的發(fā)展和應用起到了十分顯著的效果，但隨著復合材料應用范圍的不斷擴大，在眾多應用領域尚未有統(tǒng)一標準。

4.2 對纖維增強復合材料配筋進行研究

我國對纖維增強復合材料配筋在混凝土梁中的應用的研究也比較早，到目前為止，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)出多種纖維增強復合材料筋、索產(chǎn)品以及與其相配套的夾具，隨著研究的力度不斷加大，促使我國在實際的實踐中也取得了一定的研究成果。在研究纖維增強復合材料筋混凝土的過程中，主要是研究兩個方面的內(nèi)容：首先是混凝土與纖維增強復合材料之間的截面的粘結性能的問題，這是因為這兩者的粘結性能都很差，不同的筋材形式與表面處理形式，最后得到的粘結性能也是具有差異的；其次是特殊力學性能，纖維增強復合材料筋是一種彈脆性材料，因此與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構件相比，應用了纖維增強復合材料筋的混凝土的構件的受力性能也是不同的，這也成為了相關學者在今后都將進行重點關注的研究內(nèi)容。

4.3 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。纖維復合材料在混凝土當中應用有：溫度自調(diào)節(jié)混凝土、屏蔽磁場水泥基復合材料、損傷自診斷混凝土、導電水泥基復合材料等

1)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：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)定的線形關系。利用這種特性該混凝土材料能實時監(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)屏蔽磁場水泥基復合材料

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中加入鋼纖維，形狀是曲別針的形狀，從而達到屏蔽的作用。通過研究表明，在混凝土當中加入5%體積的曲別針就能夠達到屏蔽磁場的效果。

3)應變自感應混凝土

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

綜上所述，土木工程和FRP的應用領域是非常不同的，其主要的應用對象的尺度比較大，需要很長的時間，應用的條件比較復雜。土木工程廣泛的應用混凝土和剛才，其發(fā)展歷史也不過是150年，在土木工程中應用FRP的時間更短，應用形式逐漸變得豐富，其應用前景也會逐漸變得廣闊。

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[2]董江濤.探究復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用[J].智能城市，2016，09：334.

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