綠色纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的應(yīng)用

李鵬飛

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系 山西 太原 030032）

0 引言

城市化進(jìn)程不斷加快，土木工程項(xiàng)目數(shù)量逐年增加，傳統(tǒng)的建筑材料不僅成本高，且會產(chǎn)生很多有害物質(zhì)，對自然環(huán)境以及居民的身體健康都帶來了不利的影響。隨著人們生活質(zhì)量的提高，建筑材料的綠色環(huán)保性能也越來越受到重視，而綠色纖維復(fù)合材料由樹脂和各種極強(qiáng)的纖維組成，具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)等良好的性能，極大地提高了土木工程建設(shè)質(zhì)量，在整個(gè)土木工程施工中起著非常重要的作用[1]。

1 綠色纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)

1.1 可設(shè)計(jì)性

在土木建筑工程中，綠色纖維復(fù)合材料由基礎(chǔ)材料和增強(qiáng)材料組成，具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)纖維復(fù)合材料，再結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行加工。綠色纖維復(fù)合材料不僅可以保留原材料的特性，還能整合其他合成材料的高品質(zhì)特性，性能是單一材料無法比擬的，且纖維復(fù)合材料的組成也會影響綠色纖維材料的整體特性，可以根據(jù)土木建筑工程的需求對材料配比進(jìn)行優(yōu)化，極大地滿足了土木工程施工的需要[2]。

1.2 耐用性與抗腐蝕性

土木建筑工程材料的使用壽命是影響建筑質(zhì)量的重要因素，綠色纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度是鋼的5倍，鋁的6倍，非常耐用，使用壽命是普通材料的2倍以上，且拉伸性能較好，當(dāng)綠色纖維復(fù)合材料的一些纖維斷裂時(shí)，這種壓力可以被區(qū)分，將斷裂壓力傳遞到其他地方，以防止材料瞬間斷裂，可以為維修工作爭取很多時(shí)間。部分土木建筑工程中仍在使用傳統(tǒng)的建筑材料，耐腐蝕性差，使用壽命短，直接影響到整個(gè)工程的質(zhì)量，而部分綠色纖維復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能，可以充分發(fā)揮其作用，提高土木建筑工程質(zhì)量[3]。

1.3 抗震性能強(qiáng)

由于中國部分地區(qū)屬于震感多發(fā)以及臺風(fēng)地帶，在土木工程建設(shè)中，就要考慮到抗強(qiáng)風(fēng)、抗地震等自然災(zāi)害，尤其是地震，故建筑的良好的抗震性能可以保障居民的生命安全。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，在加速度和頻率變化的過程中，許多材料會發(fā)生斷裂和折斷，而大部分綠色纖維復(fù)合材料具有較強(qiáng)的抗震性能和減震性能，對于地震產(chǎn)生的沖擊波有較高的吸收效果，在土木建筑工程中的應(yīng)用可以大大提高建筑質(zhì)量[4]。

1.4 可觀賞性與抗疲勞性

在土木建筑工程中，金屬材料受“熱脹冷縮”原理，使自身具有一定彈性，其強(qiáng)度是伸強(qiáng)度的40%～50%。若天氣極端寒冷，金屬材料會出現(xiàn)“脆化”現(xiàn)象，影響到建筑功能的正常使用，而綠色纖維復(fù)合材料抗疲勞能力比普通金屬材料要高出30%左右，抗疲勞性能優(yōu)越。此外，與其他普通材料相比，纖維復(fù)合材料具有很強(qiáng)的美學(xué)品質(zhì)，可塑性較強(qiáng)，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)成各種各樣的顏色與形狀，滿足了當(dāng)下人們對美學(xué)的追求，促進(jìn)了土木建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。

2 綠色纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的作用

綠色纖維復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木建筑工程中，其作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）提高土木工程建設(shè)效率：綠色纖維復(fù)合材料具有良好的抗腐蝕性與抗震性能，在土木建筑工程中可以承受建筑物與地面的荷載，并能持續(xù)保持優(yōu)良的性能，從而加快了施工人員的施工速度，提高了土木工程工作效率；（2）提升土木工程施工效果：土木工程項(xiàng)目龐大，在施工前，由于設(shè)計(jì)人員方案不一致會造成沖突，影響施工效果。而綠色纖維復(fù)合材料的應(yīng)用需要結(jié)合地域特點(diǎn)，提前進(jìn)行有效的施工設(shè)計(jì)，最大限度發(fā)揮土木工程施工效果，保證施工質(zhì)量[6]。

3 土木建筑工程中綠色纖維復(fù)合材料的具體應(yīng)用策略

3.1 鋼筋混凝土中綠色纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

傳統(tǒng)的建筑材料鋼筋混凝土因耐腐蝕性差與力學(xué)抗性差限制了其在土木工程中的進(jìn)一步發(fā)展，在鋼筋混凝土中應(yīng)用綠色纖維復(fù)合材料可以增強(qiáng)其耐腐蝕性，提高其抗震性能。現(xiàn)階段，玻璃纖維混凝土及其他物料（例如纖維增強(qiáng)混凝土）已廣泛應(yīng)用于土木工程及建筑工程，相比于普通混凝土，這些材料具有很強(qiáng)的力學(xué)性能，防水、防腐性能也較強(qiáng)，綠色纖維復(fù)合材料越來越受到重視。此外，它的抗震動性能可以減少突發(fā)震動對建筑物造成的破壞[7]。

3.2 水泥基中綠色纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

傳統(tǒng)的土木工程建筑材料不具備電磁波抗干擾的功能，我們可以在土木工程建設(shè)中采用纖維復(fù)合材料屏蔽磁場來消除一定的電磁波，也可以通過在混凝土中摻入鋼纖維來屏蔽磁場。在土木工程中常使用的屏蔽電磁波的材料是水泥基纖維材料，是一種新型復(fù)合智能材料，由在水泥基材料中加入鋼、碳、鋁和其他纖維制成，不僅可以有效屏蔽周圍的電磁波，還可以用于智能導(dǎo)航系統(tǒng)。在土木建筑工程中，還有一種智能建筑材料為應(yīng)變自感應(yīng)混凝土材料，將碳纖維散布在水泥中以此來自動感應(yīng)建筑物的應(yīng)力和損傷，并自動調(diào)節(jié)受力情況[8]。綠色纖維復(fù)合材料中的導(dǎo)電水泥混凝土可以提高水泥的抗疲勞性能，增加建筑使用壽命。在混凝土中加入綠色導(dǎo)電纖維材料可以使混凝土具有導(dǎo)電性，雖然這項(xiàng)技術(shù)在住宅供暖中起到了一定的作用，但成本較高，技術(shù)不成熟，仍有很多創(chuàng)新發(fā)展空間。

此外，以ECC材料為基礎(chǔ)，以纖維作增強(qiáng)材料也能在不同程度上改善水泥基的性能，ECC材料全稱為Engineered Cementitio us Composites，是一種基于細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)的具有良好力學(xué)性能、超強(qiáng)韌性的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，多以水泥、水泥加填料或粒徑小于5mm的細(xì)集料作為基體，以PVA、PE等合成纖維作為增強(qiáng)材料，當(dāng)纖維摻量體積率小于2%時(shí)，其極限拉應(yīng)變力可達(dá)到3%以上，該拉伸應(yīng)變力約為普通混凝土的100～300倍，ECC憑借超強(qiáng)的韌性與多縫開裂等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于土木工程中。比如在邊坡加固應(yīng)用方面，日本歧阜一座混凝土邊坡墻遭受嚴(yán)重開裂，在其表面噴上一層60mm左右的ECC覆蓋層，完工一年后發(fā)現(xiàn)ECC修復(fù)層最大裂縫寬度僅有50 μm，取得了良好的加固效果（如圖1所示）。

3.3 綠色纖維復(fù)合材料（FRP）在土木工程中的主要應(yīng)用

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，簡稱FRP，是一種由纖維材料和基體材料按一定比例混合而成的高性能材料。具有質(zhì)輕而硬、不導(dǎo)電、耐腐蝕等特性，隨著社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和土木工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展，F(xiàn)RP以其優(yōu)異的力學(xué)性能，滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高層、重載和輕質(zhì)化發(fā)展的需要，在橋梁工程、土木建筑、海洋工程和地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用，受到了結(jié)構(gòu)工程界的廣泛關(guān)注，其在土木工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面[9]：

（1）用于土木工程結(jié)構(gòu)的加固加強(qiáng)

在土木工程中，綠色纖維復(fù)合材料通常附著在構(gòu)件表面，原構(gòu)件借助纖維復(fù)合材料的性能進(jìn)行加固，F(xiàn)RP材料廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固，基于混凝土易變性，最常見的方式是使用FRP布對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行纏繞來提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。還有一種簡單的方法是將FRP片材粘貼在混凝土梁或相應(yīng)的鋼板的受力表面，有效地提高了建筑物的整體受力，使其更加實(shí)用、高效，該加固方法廣泛應(yīng)用于梁承載力修復(fù)與舊建筑物的改造加固中[10]。

（2）FRP筋索以及預(yù)應(yīng)力 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)

FRP本身的非磁性特性非常突出，被廣泛應(yīng)用于道路橋梁的建設(shè)中，且在一定程度上以用作預(yù)應(yīng)力鋼筋，在20世紀(jì)的土木工程中，加固的主要方法是將其應(yīng)用于道路混凝土的施工，因玻璃纖維增強(qiáng)塑料（簡稱“GFRP”）生產(chǎn)簡單且成本低，近年來在一些工程上得到應(yīng)用，其物理性能見表1。

表1 GFRP物理性能

英國設(shè)計(jì)咨詢公司與橋梁專家合作設(shè)計(jì)了全球第一座玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料橋梁（如圖2所示），該橋梁的模塊組件均為1米長，用螺栓連接在一起，跨度可達(dá)30米，適用范圍廣。此外，由于它比鋼橋輕70%，橋梁只需使用叉車即可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)，使工程交付更加高效，由于采用了GFRP材料，也使橋梁具有優(yōu)異的防火、抗破壞以及防紫外線輻射的性能[11-12]。

在土木工程建設(shè)過程中，纖維復(fù)合材料有著顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，例如CFRP構(gòu)件有著自重輕、耐久性好、結(jié)構(gòu)恒載低的優(yōu)點(diǎn)，能將常規(guī)材料的活載應(yīng)力由10%～20%提高至50%～70%，還能將以纖維復(fù)合材料為核心的斜拉橋拉鎖的橋梁跨度增加1.3～2.3倍（如表2所示）。

表2 鋼索、CFRP復(fù)合材料橋梁極限跨徑

CFRP在加固工程中具有施工便捷的特點(diǎn)，且粘貼工藝較簡單，其應(yīng)用如圖3所示[13]。

（3）FRP橋面體系

在橋面施工中，通常在橋面鋪裝FRP材料，利用FRP材料的強(qiáng)度對橋面進(jìn)行加固，提高橋面的荷載（見圖4），與傳統(tǒng)的施工工藝相比，F(xiàn)RP材料橋面具有更好的承載能力，有利于提高橋面整體的動荷載水平[14-15]。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著土木工程的發(fā)展，建筑業(yè)也從過去單一的追求堅(jiān)固轉(zhuǎn)變成了美觀、堅(jiān)固、綠色環(huán)保。綠色纖維復(fù)合材料的應(yīng)用對土木工程行業(yè)有著重要的意義，在土木工程中發(fā)揮著巨大的作用，可以有效提高建筑的施工效率與施工效果，保證土木工程的施工質(zhì)量。鑒于目前的發(fā)展?fàn)顩r，綠色纖維復(fù)合材料還有很多性能未被挖掘，具有很大的發(fā)展空間，我們可以進(jìn)一步挖掘其隱藏的特點(diǎn)，提高我國建筑業(yè)的發(fā)展水平。