復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用

杜光

摘要：土木工程涉及范圍較廣，在施工建造過程中，為達到預期的設計效果，將復合材料有效的融入其中是促進建筑設計多樣化的必然趨勢，一方面能夠對土木工程總體質量進行進一步強化，另一方面也可有效降低外部環(huán)境對土木工程建筑的影響，是提高土木工程應用效果的有效途徑。因此本文就復合材料在土木工程中的發(fā)展與應用展開探究，并總結出符合材料的主要優(yōu)勢及在土木工程中的應用效果與發(fā)展方向。

關鍵詞：復合材料 土木工程 發(fā)展 應用

近年來，土木工程技術的不斷成熟使更多高新技術材料有效的融入到土木工程建筑中，對于提高工程質量與使用年限有著重要作用。復合材料是目前應用最為廣泛的土木工程材料，主要以用途廣泛、穩(wěn)定性強及易于維護管理著稱。在現有的多種土木工程中，復合材料在工程建筑中占有較大比重，是建筑建造不可或缺的重要材料之一。

一、對工程結構發(fā)揮的加固和補強的作用

早在上世紀九十年代，碳纖維增強復合材料出現，應用在對橋梁的加固方面，促使纖維增強復合材料在加固和修復方面的影響增強，研究的范圍實現了拓展，在具體的工程中得到應有，促使FRP在修復和加固方面彰顯優(yōu)勢。此時，我國的CFRP加固工程出現，為新型復合材料的發(fā)展奠定的基礎，當前，FRP技術在結構加固工程中得到極大推廣，發(fā)展到橋梁和建筑，涉及混凝土、地下隧道等多種形式，加固方式展現為纏繞、粘貼等多種方法。FRP在混凝土結構中的加固形式較多，在各種結構架構中應用比較普及，其中，在鋼結構加工方面的運用最為突出。

二、FRP筋索和預應力FRP筋混凝土結構介紹

（一）FRP的主要優(yōu)勢在于能夠使用更少的材料達到更好的效果，FRP材料普遍具有強度高、重量輕及穩(wěn)定性好等特點，在使用過程，也不易遭到環(huán)境與建筑結構的腐蝕及影響，是現有安全性最高的建筑材料之一。在成本方面，FRP材料也具有極為明顯的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構相比，FRP強度更高，即使受到外部環(huán)境的高壓沖擊，仍能保持相對穩(wěn)定的形態(tài)，同時便于維護，即便大量應用，使用成本也低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土材料。

（二）雖然在實用性方面，FRP具有明顯優(yōu)勢，但在混凝土與筋粘結方面，仍存在部分技術問題，一旦在粘結過程中，材料產生一定程度的性狀改變，即可能無法達到預期的建筑設計效果。同時受力學構造影響，在結構力學承壓方面，FRP與傳統(tǒng)混凝土結構也存在著本質上的差別，如承壓面積與位置發(fā)生改變，則會增加FRP材料的彈脆性，所以需要根據實際的工程需要在設計方面深入研究。

三、對FRP組合結構的介紹

（一）FRP管混凝土分析

FRP管混凝土主要是對混凝土結構形成一種約束作用，使其穩(wěn)定性得到有效提升。一方面能夠提升工程施工基本效率，加快施工進度。另一方面還可將其作為模板進行使用，讓工程建筑質量與建筑使用年限得到進一步提升。

（二）FRP一鋼管一混凝土組合構件的分析

鋼管可作為FRP與混凝土間的主要載體，以便于在施工過程中，可充分發(fā)揮FRP模板的基本作用，不僅能夠降低生銹的可能性，同時有效降低其基本重量，使材料性狀更穩(wěn)定，不易在使用過程中產生變形的情況。

（三）FRP一混凝土組合粱分析

FPR一混凝土組合梁利用混凝土拉力優(yōu)勢提高穩(wěn)定勢能，所以在使用過程中，該材料可有效的利用于模板中，對于進一步提升組合件應用效果有一定的作用。

（四）CFRP一鋁合金組合構件的分析

CFRP的設計初衷主要是使FRP材料在使用過程中，降低其脆彈性，讓其能夠發(fā)揮出高強度與耐腐蝕等方面優(yōu)勢，以此一方面確保FRP在土木工程中的穩(wěn)定性，另一方面有效增加FRP材料的適用性。

（五）FRP一木組合構件

FRP一木組合構件在特性方面與木質材料有一定的相同性，雖然該組合在操作方面具有較強的便捷性，但燃點相對較低，一旦遇高溫環(huán)境，即降低了其構件使用的安全系數，因而該材料在使用過程中，主要用于增強結構強度與節(jié)約工程成本。

四、對全FRP結構的介紹

鑒于FRP在力學方面的優(yōu)勢，例如，耐腐蝕性、絕緣性以及隔熱性，使得其在設計和優(yōu)化方面優(yōu)勢明顯，全FRP結構具有不可替代的作用，在民用工程中應用較多。在當前的土木工程中，全FRP結構主要分為如下幾種形式。

（一）對FRP橋面體系的分析

以FRP材料為基礎，將材料結構作為重力承壓組，以確保在使用過程中，材料能夠避免受到環(huán)境及其余各方面的影響，同時可有效降低后期的維護成本，在質量與使用年限方面均能得到顯著提升。

（二）對FRP輕質橋梁的分析

FRP輕質橋梁利用降低橋梁重力的方式來降低橋梁的基本受力，繼而為橋梁提供更多的作用力與承載力，該材料結構承壓方向與傳統(tǒng)材料有較大差異。雖然可在較大程度上實現橋梁的多用途與輕量化，但其穩(wěn)定差與受外部環(huán)境影響嚴重等問題，仍然需要在橋梁建筑中得以有效的解決，同時由于目前尚未對其形成統(tǒng)一的應用與建筑標準，因此研究應用效果難以符合預期項目規(guī)劃要求。

（三）對FRP編制網結構的分析

該材料結構具有柔韌性強的基本特點，在實際使用過程中，即使受到高強度拉伸，也不易產生裂痕等問題，就安全性而言，優(yōu)于多種FRP結構材料。在跨度較大的大型橋梁中，FRP編制網結構的應用范圍較為廣泛。

（四）FRP桿間空間結構分析

目前，FRP桿間空間結構多應用于環(huán)境惡劣的土木工程中，同時對跨度相對較大的橋梁也具有較好的應用效果。該結構外部主要以采用CFRP材料為主，通過節(jié)點與錐頭的連接，來達到重量輕、耐腐蝕及施工街便捷的目的。該結構在工程成本控制方面也具有一定的優(yōu)勢。

（五）多種款式的FRP曲面結構物

該種類FRP是多種結構材料中，穩(wěn)定性最好及應用效能最高的結構物，在促進橋梁多元化發(fā)展與提高橋梁可塑性方面，均有著難以替代的優(yōu)勢。在使用過程中，由于其優(yōu)化設計相對合理，使其成本控制在相對較低的標準中，在非線型建筑中成為應用的主流。

五、結語

復合材料在土木工程建筑中優(yōu)勢明顯，受其基本特性影響，復合材料能夠有效適應不同的建筑環(huán)境，并在工程實際應用中提高工程質量與安全穩(wěn)定性，繼而使工程建筑達到預期的設計效果。復合材料在使用過程中，不易受到環(huán)境與其余外部因素的腐蝕，同時具有較強的耐磨性，在較大程度上提升了建筑工程的經濟效益與社會效益。

參考文獻：

[1]彭祥.淺析FRP復合材料在土木工程中的實踐效果[J].四川水泥，2014，（11）.

（作者單位：長春建設集團股份有限公司）