纖維增強復(fù)合材料在建筑工程中的應(yīng)用

臧德厚

（山東中煙工業(yè)公司頤中（煙草）集團有限公司 山東青島 266000）

鋼筋和混凝土作為建筑工程傳統(tǒng)施工材料，展示出了其優(yōu)異的力學(xué)性能，保證了國民建筑工程質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，纖維增強復(fù)合材料逐漸由航空領(lǐng)域推廣應(yīng)用到建筑領(lǐng)域。該種材料不僅降低了建筑工程造價，還大幅提高了工程質(zhì)量，推動了我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展。

1 纖維增強復(fù)合材料優(yōu)勢

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在受到溫度、濕度、氯離子等因素影響時，由于混凝土呈堿性，導(dǎo)致其逐漸被中性化，從而使得鋼筋失去保護(hù)受到腐蝕，降低了建筑工程結(jié)構(gòu)壽命和耐久性。國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機理進(jìn)行研究，提出了一些技術(shù)措施以降低其腐蝕程度，如采用鋼筋阻銹劑、電鍍鋼筋保護(hù)膜、鋼筋表面進(jìn)行環(huán)氧涂層等。隨著纖維增強復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，對建筑工程產(chǎn)生重要影響。

碳纖維在常溫下有良好的穩(wěn)定性，耐酸、耐堿和耐有機溶劑，同時其具有耐老化、抗輻射和耐潮濕等優(yōu)良特性。因此通過采用碳纖維增強聚合筋替代鋼筋具有很多優(yōu)勢，比如耐腐蝕性能好，疲勞性能好。

碳纖維材料質(zhì)量輕，具有良好的抗疲勞性能，在施工過程中可以不用大型機械吊裝設(shè)備，不僅施工步驟簡單，還可以縮短工時，施工操作簡便易行。

復(fù)合材料成型工藝具有很強的可設(shè)計性，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過熱壓罐工藝可實現(xiàn)高精度一次成型，為建筑設(shè)計和創(chuàng)作提供了更具有想象力的空間。例如，拱型、球面型、雙曲面型等構(gòu)件或整體組裝結(jié)構(gòu)等。

2 工程應(yīng)用

2.1 巖土工程

巖土工程施工過程中，一般面臨復(fù)雜地質(zhì)體，常會出現(xiàn)坍塌、地面沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，需要構(gòu)造防護(hù)墻、支護(hù)網(wǎng)、錨固工程等保護(hù)措施。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)錨桿由于地下水對鋼錨桿產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕使得錨固工程質(zhì)量耐久性下降。碳纖維增強聚合筋具有良好的耐腐蝕性能，在進(jìn)行巖土工程錨固時可以廣泛使用。

2.2 橋梁工程

橋梁大多為受彎構(gòu)件，主要承受彎矩和剪力，較少承受軸力。由于纖維增強聚合筋比鋼筋抗拉強度高，可以將纖維增強聚合筋布置在橋梁截面受拉區(qū)域，使得纖維的抗拉性能充分體現(xiàn)。

但需要注意的是，由于碳纖維屬于脆性材料，其延性差，不適用于對抗震等級要求高的橋梁結(jié)構(gòu)中。

2.3 海洋工程

海洋工程結(jié)構(gòu)對材料抗海水腐蝕性能要求較高，采用鋼筋材料施工的海洋工程結(jié)構(gòu)耐久性低。可以采用碳纖維增強聚合筋取代鋼筋，以解決海洋工程結(jié)構(gòu)耐久性問題，延長工程使用壽命。

2.4 加固工程

混凝土結(jié)構(gòu)在地震、海嘯等自然災(zāi)害后，需進(jìn)行檢測和加固，以滿足設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度和耐久性的要求，并延長其使用年限。傳統(tǒng)的補強材料一般為鋼板，不僅自重大且易被腐蝕。纖維增強復(fù)合材料具有良好的抗拉強度和耐久性，可以通過粘貼碳纖維增強聚合布等工藝進(jìn)行加固。

2.5 寒冷、潮濕環(huán)境工程

在寒冷、潮濕環(huán)境中，鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)建成后的維護(hù)費用較高，一般對于該類地區(qū)擬建項目，在保證工程質(zhì)量的前提下，需要面對如何縮短建設(shè)周期、減少維護(hù)費用等技術(shù)問題。有些工程項目通過采用纖維增強復(fù)合材料聚合物筋混凝土結(jié)構(gòu)取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)降低維護(hù)成本。

2.6 空間結(jié)構(gòu)工程

網(wǎng)架或網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)中采用輕質(zhì)高強、耐腐蝕的材料已經(jīng)成為一種趨勢。英國建造了幾處網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有的是嘗試性地用玻璃纖維增強聚合物桿件代替部分鋼構(gòu)，有的是使用玻璃纖維增強聚合板作為受力或部分受力構(gòu)件，但是由于玻璃纖維增強聚合物本身材料的限制，如彈性模量低、節(jié)點難處理等因素，導(dǎo)致復(fù)合材料在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢不能體現(xiàn)，所以在此結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟，設(shè)計方案的優(yōu)化，日本開發(fā)研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維增強聚合卷管。用于網(wǎng)架的碳纖維增強聚合桿件是由碳纖維增強聚合片材以不同的角度層疊粘貼而成。建造完成后，通過對比發(fā)現(xiàn)碳纖維增強聚合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重量僅為鋼網(wǎng)架的1/5～1/4，相比鋼網(wǎng)架維護(hù)費用低，維護(hù)費用是鋼網(wǎng)架的1/5。現(xiàn)在采用纖維增強聚合薄板條的新型大跨空間結(jié)構(gòu)體系，利用纖維增強復(fù)合材料增強結(jié)構(gòu)的整體性，使整個結(jié)構(gòu)具備足夠的幾何剛度，因為采用類似編竹席編織方法使纖維增強復(fù)合材料的抗拉強度得到發(fā)揮，而且可以獲得特殊的建筑效果，是一種高效的結(jié)構(gòu)體系。

2.7 模板工程

復(fù)合材料模板是在原有塑料模板的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，可以提高房屋建筑工程混凝土的施工質(zhì)量，降低工程成本、縮短工期以及提升現(xiàn)場安全文明。

3 纖維增強復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)

纖維增強復(fù)合材料筋中纖維占比較高，比傳統(tǒng)的鋼筋材料強度更高，可通過施加預(yù)應(yīng)力提高其與混凝土的粘結(jié)程度。通過纖維增強復(fù)合材料與混凝土或木材的組合，形成多種結(jié)構(gòu)類型，性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍也比較廣泛。

3.1 纖維增強復(fù)合材料管-混凝土

對纖維增強復(fù)合材料管內(nèi)填充混凝土形成組合結(jié)構(gòu)，既可以實現(xiàn)對混凝土的約束，還能提高整體施工速率，并具有耐用性強、持久性好等優(yōu)點，既可以用于作樁、柱，也能夠作梁，提高了整體建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，提高了其負(fù)載能力，并有效降低了自身重量。

3.2 纖維增強復(fù)合材料-鋁合金組合構(gòu)件

將纖維增強復(fù)合材料設(shè)計在鋁合金管的外表面，充分彌補纖維增強復(fù)合材料脆性且不易連接的缺點，實現(xiàn)輕質(zhì)、耐腐蝕的優(yōu)良特性，該類結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中。

3.3 纖維增強復(fù)合材料-木組合構(gòu)件

將纖維增強復(fù)合材料和木材進(jìn)行合理結(jié)合，充分利用自身受力特點，提高抗火等級，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量更輕，耐腐蝕性更好，與全纖維增強復(fù)合材料構(gòu)件相比負(fù)載耐受能力更強，成本支出較低，因此應(yīng)用前景也更大。

4 推廣應(yīng)用瓶頸

纖維增強復(fù)合材料最初廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，近幾年才拓展應(yīng)用于建筑行業(yè)，作為一種新型的輕質(zhì)材料，其生產(chǎn)工藝仍處于發(fā)展階段，制造過程復(fù)雜，成本投入高，尤其在未實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的試制階段，需要投入更高的成本才能最終定型生產(chǎn)，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。

纖維增強復(fù)合材料出現(xiàn)報廢或壽命終結(jié)后，不能有效回收，其回收成本較高，也阻礙了其應(yīng)用的推廣。

纖維增強復(fù)合材料在建筑行業(yè)的損傷檢測技術(shù)及評價機制尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料作為先進(jìn)材料，其自身強度、剛度、疲勞壽命及損傷程度等決定了建筑工程的施工質(zhì)量，在施工過程中，如果不能及時有效地對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測探傷，那么將很難保證建筑施工質(zhì)量。我國建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前缺乏對纖維增強復(fù)合材料構(gòu)件等的建筑結(jié)構(gòu)安全評估方法、標(biāo)準(zhǔn)及配套的完整修復(fù)規(guī)范，這也是限制該種材料進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的瓶頸。

現(xiàn)常用的纖維增強復(fù)合材料錨具需專門在制作工廠里定制生產(chǎn)，質(zhì)量不穩(wěn)定而且投資較高，還需要深入對纖維增強復(fù)合材料的預(yù)應(yīng)力錨具進(jìn)行研究。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程基本理論與設(shè)計方法中一般要求進(jìn)行延性設(shè)計，針對脆性破壞的聚合筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的延性問題目前還沒有明確的、可控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的延性指標(biāo)。對纖維增強復(fù)合材料混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能、延性研究缺少系統(tǒng)性，也限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

纖維增強復(fù)合材料在建筑工程中應(yīng)用廣泛，對提高整體工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度等起到了積極的推動作用。隨著紡織工藝及復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料性能不斷提高，不僅在航空航天等軍工領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴大，在建筑工程等民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，并進(jìn)一步推進(jìn)建筑工程領(lǐng)域針對復(fù)合材料檢測和修復(fù)的規(guī)范制定。