芻議城建土木工程中高性能材料的重要性

辛路

摘要：通常情況下所言的土木工程為“民用工程”的泛稱，具體是指各類建造工程的統(tǒng)稱。近些年來我國經(jīng)濟的發(fā)展推動了土木工程建設(shè)水平的提升，傳統(tǒng)建筑材料已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段土木工程建設(shè)的根本需求，高性能材料在此種背景下應(yīng)運而生，于我國土木工程的進一步發(fā)展有積極的推動作用。當前高性能材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國城建土木工程之中，本文由土木工程概述開始展開高性能材料重要性的分析。

關(guān)鍵詞：城建土木工程;高性能材料;重要性

1土木工程概述

土木工程的本質(zhì)是一項基礎(chǔ)性學(xué)科，其基本特征是具有較強的綜合性、實踐性、社會性以及統(tǒng)一性。對于我國國民經(jīng)濟的發(fā)展與人民生活水平的提升而言，土木工程當屬物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，于眾多行業(yè)的振興及發(fā)展有積極的促進作用。工程建設(shè)的過程也是固定資產(chǎn)的基本生成過程，正因如此建筑業(yè)成為我國國民經(jīng)濟的主要組成部分。

2簡述高性能材料

當前將纖維增強復(fù)合材料稱之為高性能材料，首先將纖維增強材料和基體材料依照一定的比例進行混合，混合之后通過一系列的工藝流程將其加工成一種新型的高性能材料。由高性能材料的字面意思可以得知其直接優(yōu)勢為性能較高，因此近些年越發(fā)廣泛的應(yīng)用于城建土木工程中，并逐漸發(fā)展為該行業(yè)關(guān)注的重點。通常情況下土木工程最長應(yīng)用的材料包含芳綸纖維增強的樹脂基體、玻璃纖維以及碳纖維。此種新型材料的高性能具體是指耐腐蝕、高強度以及高質(zhì)量，所以一經(jīng)推出就被廣泛應(yīng)用于土木工程建筑領(lǐng)域，加固補強建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)當屬此類新型材料最突出的應(yīng)用體現(xiàn)。

3分析高性能材料的優(yōu)點

現(xiàn)階段城建土木工程結(jié)構(gòu)中對高性能新型材料應(yīng)用的主要形式為纖維布，工程加固是其應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)。對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料和高性能新型材料可以發(fā)現(xiàn)，后者具有明顯優(yōu)勢，具體包含以下幾個方面：

3.1輕質(zhì)高強

高性能新型材料輕質(zhì)高強的特征決定其結(jié)構(gòu)自重的大幅度下降，若將高性能材料應(yīng)用在建筑工程中的大跨空間結(jié)構(gòu)體系，可將其理論極限跨度大幅度有效提升。對于橋梁工程而言，相同條件的前提下對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料進行應(yīng)用其理論極限跨度為5000m范圍內(nèi);如對高性能新型材料進行應(yīng)用該極限跨度可提升至8000m以上。另外，如將高性能新型材料在抗震結(jié)構(gòu)中進行應(yīng)用，因其具有輕質(zhì)高強的特征，所有其結(jié)構(gòu)自重得到大幅度降低，進而可對結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能進行顯著改善。

3.2耐腐蝕性

相比傳統(tǒng)建筑材料而言，此種新型的纖維增強復(fù)合材料應(yīng)用環(huán)境更加廣泛，可在氯鹽、酸性、堿性以及潮濕環(huán)境中進行應(yīng)用。正因如此，此種新型纖維增強復(fù)合材料在海洋工程、鹽漬地區(qū)、化工建筑等水下工程和地下工程得到廣泛應(yīng)用。有大量數(shù)據(jù)表明，我國每年都會有非常多的橋梁工程發(fā)生鋼材銹蝕進而損壞的情況，其修復(fù)費用非常高，且維護費用也在逐年攀升，所以可考慮對此種新型材料進行應(yīng)用。

3.3可設(shè)計性較強

將纖維增強型復(fù)合材料與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料進行對比可以發(fā)現(xiàn)，高性能新型材料無論是彈性模量還是強度指標都可將工程需求作為依據(jù)進行相應(yīng)的改變，應(yīng)用各類可對纖維材料、纖維含量以及具體鋪陳方法進行改變的設(shè)計工藝，可生產(chǎn)出不同種類的高性能材料，進而對不同的施工需求進行滿足。

3.4具有良好彈性、絕緣性、隔熱性

除上述各項優(yōu)勢之外，高性能材料還具有良好的彈性，此種新型材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線非常接近于線彈性，所以具有更小的塑性變形，超載后變形恢復(fù)的質(zhì)量和效率可大幅度提升。

高性能新型材料的應(yīng)用可將工廠化生產(chǎn)的目的進行實現(xiàn)，于工程治療的保證有積極意義，還可將建筑工業(yè)化與勞動效率最大限度提升。另外，高性能建筑材料還具有絕緣性、隔熱性、熱膨脹系數(shù)較小以及透電磁波等直接優(yōu)勢，所以在醫(yī)療核磁共振設(shè)備、雷達站以及地刺觀測站等特殊領(lǐng)域可見此類材料的應(yīng)用。

4高性能新型材料在土木工程的廣泛應(yīng)用

4.1混凝土加固結(jié)構(gòu)中對高性能新型片材的應(yīng)用

第一，可將此種高性能新型片材在混凝土柱上進行纏繞起到加固的目的。實踐證明此種混凝土加固方式最為直接有效。第二，將高性能新型片材在梁、板等受拉面進行粘貼，進而將量、板的受拉承載力進行有效提升，可有效控制裂縫的產(chǎn)生。但需要明確高性能片材的受拉作用無法及時充分發(fā)揮，一般而言需要在受拉鋼筋屈服之后才能發(fā)揮，然而此時梁和板的擾度變形已經(jīng)比較嚴重，所有應(yīng)急修復(fù)時不能對高性能新型片材進行應(yīng)用。

4.2鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固中對高性能新型材料的應(yīng)用

第一，加固受彎構(gòu)件。如鋼梁并不存在初始損傷情況，選擇高性能新型材料進行修復(fù)及加固可將其承載能力一定程度提升，但是不會影響鋼梁的剛度。如在受彎構(gòu)件本身已經(jīng)發(fā)生損傷的情況下選用高性能新型材料對其進行修復(fù)和加固，鋼梁強度可以得到顯著改善。采用新型高性能材料對損傷鋼梁進行修復(fù)及加固以后，高性能新型材料在損傷區(qū)域和鋼梁發(fā)生剝離破壞的情況，進而可將高性能材料的高強作用充分發(fā)揮。但是如此種剝離破壞情況發(fā)生太早，無法將新型材料的優(yōu)勢充分發(fā)揮。因此實際施工過程中需要把控的重點是剝離破壞發(fā)生的具體時間，必要時要采用有效措施將剝離破壞的時間進行延遲，甚至避免剝離破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

第二，受拉構(gòu)件加固。通過高性能新型材料對受拉構(gòu)件進行加固，可將鋼構(gòu)件的屈服荷載與極限荷載有效提升，而且可將在斷面附近及高性能新型端部的脫膠情況進行破壞。脫膠位置與脫膠程度的變化對鋼構(gòu)件的極限承載能力產(chǎn)生直接影響。所以，受拉構(gòu)件修復(fù)加固中應(yīng)用高性能新型材料時，要格外注意膠粘劑的應(yīng)用。

第三，受壓構(gòu)件加固。采用高性能新型材料加固受壓構(gòu)件時，通常會將高性能新型布沿柱子進行環(huán)向粘貼，此種粘貼方法相比縱向粘貼可顯著提升加固質(zhì)量，極限承載力得到有效提升。此外，對環(huán)向高性能新型布加固方法進行應(yīng)用，可有效避免高性能布斷裂以及高性能布之間剝離現(xiàn)象的發(fā)生，僅僅在鋼柱局部屈曲發(fā)生破壞情況。反之如對縱向加固方法進行應(yīng)用，則無法將鋼結(jié)構(gòu)與新型布之間剝離破壞的情況進行有效避免。

4.3鋼結(jié)構(gòu)加固中對高性能新型材料的應(yīng)用

加固鋼結(jié)構(gòu)時對新型高性能材料進行應(yīng)用會發(fā)生疲勞損傷的現(xiàn)象，所以剩余疲勞壽命會大幅度增加，因此加固效果得到有效提升。鋼結(jié)構(gòu)在使用新型高性能材料加固之后，其原有受力狀態(tài)會隨之改變，原本由鋼結(jié)構(gòu)全部承擔的荷載力由膠粘劑向各構(gòu)件進行傳遞，所以會發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)減應(yīng)力及正應(yīng)力集中的情況，極易破壞膠層。為了將膠層剝離破壞的情況有效避免，通常情況下將高性能新型板兩端制作為45度角，旨在將膠層應(yīng)力最大限度降低。此外，也可固定高性能新型布的兩端，栽植對端部較大減應(yīng)力和正應(yīng)力進行有效抵抗。

5結(jié)束語

當前我國城建土木工程中對高性能新型材料應(yīng)用的主要范圍是修復(fù)及加固，其它方面的應(yīng)用技術(shù)尚不完善，因此應(yīng)用相對滯后。高性能材料屬于一種新型的建筑材料，因此其當前成本相對較高，于使用范圍的擴大有一定影響，但其應(yīng)用的綜合效益相對較高，于土木工程建筑而言是難得的發(fā)展機遇。因此相關(guān)領(lǐng)域的工作人員應(yīng)該致力于高性能材料的研究，在提升其于土木工程應(yīng)用有效性的同時將其應(yīng)用于更多領(lǐng)域，于我國社會的進一步發(fā)展有十分積極的意義。