土建領域中的纖維復合材料應用現狀及前景展望

陸智斐

（上海海洋大學后勤與基建管理處，上海 201306）

纖維復合材料早期主要被用于航空航天及軍工等領域，憑借其優異的抗腐蝕、尺寸穩定性以及輕質高強等性能，后期逐步在建設工程行業得到了青睞。在土建領域，纖維復合材料能滿足現代化建設工程的輕質、高強、重載、大跨及耐腐蝕等一系列需求，在混凝土結構加固、橋墩維修補強、鄰海構筑物防腐等方面得到了越來越廣泛的應用［1-2］，并較好地契合當前超高層建筑、智能化裝修、城市立體更新以及“雙碳”戰略等新型現代化建造理念。

超高性能水泥基復合材料（UHPCC）具備超高強度與超高耐久性［3］，其突出的力學性能使其在超高層建筑中應用前景廣闊；木塑復合材料是一種新型節木材料，防水、抗菌防蟲且吸聲效果好，在吊頂、墻板、地板以及門窗等的裝配式智能化裝修方面擁有理想的效果；而在當前新建與存量更新改造同步的城市更新階段，纖維布、纖維筋以及纖維板等復合材料在結構加固、維修補強等方面占據重要地位。纖維復合材料生產過程能耗小，自重輕、使用便捷，無需大型機械配合，節能減碳優勢顯著，利于我國“碳達峰”、“碳中和”目標的實現。

與此同時，隨著生活水平的提高，人們對智能化材料的需求日趨高漲，如自檢測、自修復以及自維修等，而智能/ 功能混凝土等纖維復合材料不僅能承受相應的荷載，而且能適應多種智能化場景需求，從而賦予大型建（構）筑物智能化應用與運行條件，提升橋梁或高速公路等的服役年限與使用品質。研究和實踐表明，纖維復合材料在土建工程中的推廣應用，可一定程度上改善傳統建材應用的不足和缺陷，突破大跨、重載等傳統設計極限［4］，同時憑借綠色環保、防腐耐久等性能，有效降低土建施工領域的生產能耗和維護造價，更好地實現可持續發展。

1 纖維復合材料性能優勢

相比傳統的水泥、鋼筋或混凝土等建材而言，纖維復合材料擁有獨特的優異性能，具體包括以下幾方面。

（1）比強度、比剛度大。在密度方面，部分纖維復合材料，如碳纖維復合材料，其密度僅約為鋼材的0.2，鈦合金的0.3，這使得CFRP 材料的比強度顯著優于常用的傳統建材，如玻璃鋼、超硬鋁、高強鋼等，且比模量均超過傳統建材至少3 倍［5］。再如碳纖維T300/5208，其比剛度為鋼材的5 倍以上。憑借輕質高強的特性，纖維復合材料能節約施工工期，降低施工復雜度。

（2）可設計性。纖維復合材料是傳統纖維和樹脂融合的產物，二者在性能上相互補充，取長補短，形成協同效果，在宏觀上具有各自組分材料的優勢，同時兼具自身新材料的獨特性能。因此，用于結構材料時，纖維復合材料可針對結構功能需要，利用不同性能的材料進行組合設計，實現預期的性能要求。

（3）耐疲勞。常規情況下，金屬材料的疲勞強度僅為其極限強度的2/5～1/2，而對于纖維復合材料，如CFRP，其在荷載工況下表現為黏彈性特點，能抑制裂縫擴張，抗疲勞特性佳。而處于靜態時，CFRP 材料的破壞條件為極限強度應力的0.9 倍，可循環作用逾百次，而相同工況下鋼材的破壞極限僅為強度應力的50%左右［6］。

（4）抗腐蝕。使用壽命方面，纖維復合材料是傳統鋼筋和混凝土的2 倍［7］，且大多為電絕緣材料，可以在酸堿等腐蝕性環境中長時間工作。將其用于近海結構的加固維修時，能夠避免與海水發生化學反應，極大地提高了近海構筑物的服役年限，有效減少維修或改建頻次，節約工程成本。

（5）結構功能/ 智能化。纖維復合材料具備良好的設計性，因此前期材料性能在一定設計條件下可具備智能化。如經特殊材料制成的復合材料梁體，能夠針對不同的振動環境自動產生一定的變形，改變固有振動頻率，降低相應振幅，從而提升框架結構的服役年限，減少結構噪聲［8］。

（6）延性好、抗震性能優良。纖維復合材料的自振頻率高，阻尼大，一般不會出現脆斷現象。同時，大量纖維體相對獨立受力，即使部分纖維受力斷裂，仍可將荷載傳遞至其余纖維承擔，表現出較好的延性破壞特征。

2 土建領域中的纖維復合材料應用

2.1 結構加固維修

在土建工程加固領域，纖維復合材料，尤其是碳纖維、芳綸纖維等復合片材的抗拉強度較高，是較為常見的結構修補加固材料。纖維復合材料作為結構補強材料的主要機理是通過樹脂黏合劑，將纖維復合片材以一定方式粘貼排列于待修補構件表面，使其與結構構件整體受力，協同作用，進而實現構件裂縫修補或受力性能改善。

相比常規加固方法，如自重大、抗腐蝕性差、服役年限短的粘鋼方法等，纖維復合片材加固施工較為便捷，加固效果顯著，其能有效增強構件的承載能力，且不增加額外的自重與截面面積，同時能適應不同的加固環境。在實際應用中，纖維復合片材在加固時可適用于受彎、受剪及抗震等不同工況［9-10］。

2.2 纖維聚合物筋

纖維聚合物筋作為一種復合材料制品，相比鋼筋而言，在熱膨脹系數、與混凝土黏結性、抗腐蝕性、抗疲勞性以及自重和強度等方面，均有更好的性能表現，因此可一定程度上替代鋼筋，形成纖維聚合物筋混凝土結構，并在地下連續墻鋼筋籠、預應力鋼筋等領域顯示出較好的應用優勢。纖維聚合物筋的類別較多，其中的纖維可以是傳統的碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維等，其制作機理為：先將各類細小纖維包裹在樹脂母體中，再對其采用拉擠成型工藝形成細長條，然后對其表面做特殊工藝處理，最終形成復合材料成品。

纖維聚合物筋具備高強的性能，將其施加一定的預應力不但能充分發揮其力學特性，而且可實現纖維聚合物筋混凝土梁抗裂能力的提升。因此，在混凝土梁或柱構件中，纖維聚合物筋可替代傳統鋼筋作為加強骨架進行應用，如將碳纖維聚合物筋應用于體外預應力筋或無粘結預應力筋，以契合其抗腐蝕、低模量等特性，或者利用優異的抗疲勞、耐腐蝕性能，將其用于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋的主要豎向受力構件等。

2.3 纖維混凝土復合材料

作為土建工程中的主要原材，傳統水泥混凝土存在脆性破壞、抗拉性能差等不足。纖維的抗拉強度較大，將其摻至水泥基體后，可形成強度高、耐久性好、延性優良且具備功能化特點的水泥基纖維復合材料，其中的纖維類別可包括碳纖維、智能纖維、鋼纖維、玻璃纖維及芳綸纖維等。

2.3.1 纖維增強混凝土

針對傳統水泥砂漿和混凝土材料的性能短板，為實現其性能的優化改良，可基于纖維阻裂機理［11］，通過摻入抗堿能力強、力學特性優異的纖維材料并以特定方式實現復合，從而形成纖維增強混凝土，提升傳統的綜合性能與應用價值。在纖維增強混凝土的發展早期，土建領域大多利用鋼纖維進行增強改造，隨著應用深入與技術拓展，后續相繼研發出了玻璃纖維、芳綸纖維、防彈絲纖維以及碳纖維等增強復合混凝土，其中尤以碳纖維增強混凝土的性能最為突出，如耐強堿腐蝕、機械性能強大、耐水性好以及不懼溫差等，其相關的應用也最為普遍。在土建領域，以碳纖維取代傳統結構中的鋼絲/鋼筋，可在降低構件自重的同時，弱化鋼筋混凝土結構的劣化趨勢，既便于吊裝，也能節約工期。另外，碳纖維具備一定的振動阻尼性能，能顯著提升結構的抗震能力。相關研究［12］指出，在水泥混凝土中只需摻入約2%左右的碳纖維，即能大幅提升其抗拉與抗彎強度，同時也能進一步強化抗壓強度。

2.3.2 功能/智能混凝土

隨著現代化進程的發展，人們對智能建筑與智能材料的需求與日俱增，而纖維復合材料的出現能賦予傳統混凝土更多的智能或功能，以滿足不同使用工況的實際功能需求。

（1）屏蔽磁場水泥基復合材料。在某些需要屏蔽磁場的土建項目中，如工業建筑、機房、變電站等，為使建（構）筑物具備屏蔽功能，可在結構混凝土制備中摻入一定量的鋼纖維。研究指出，亂向分布的短鋼纖維具備電磁輻射屏蔽性能，其屏蔽能力與鋼纖維的長度、體積、長徑比等有關［13］。

（2）應變自感應混凝土。碳纖維的變形與所受應力具備相應的線彈性關系，因此可通過將碳纖維與水泥基材進行復合形成應變自感應混凝土，其可以借助復合材料中短切碳纖維，實現對混凝土受拉、受彎或受壓等不同工況下的實時監測。

（3）自修復混凝土。以往的混凝土結構發生開裂后，一般需要通過外在措施進行加固補強。而在混凝土中摻入含有黏結材料的玻璃空心纖維時，在結構受損擠壓引起玻璃空心纖維破裂后，可釋放出黏結劑并使裂縫處重新愈合，實現自修復效果，此謂自修復混凝土。同時，還可在將編織纖維網摻入磷酸鈣水泥基體中，借助水化、硬化、聚合等一系列反應，促進受損位置的自愈合［14］。

3 存在的不足與發展前景

纖維復合材料能夠取長補短，突破傳統單一材料的應用局限，既有各組分原材料的優良性能，也有原材所不具備的特性，在我國土建領域中占據重要的應用地位。但就當前的應用現狀而言，纖維復合材料仍存在不足和發展瓶頸，需要在未來進行以下方面重點研究和突破。

（1）纖維復合材料在結構設計方面缺乏相應的指導規程，一定程度上限制了其應用的規范性和可靠性。為在將來能更好地在土建領域實現推廣發展和深入應用，設計程序和測試標準必須及時制定。

（2）纖維復合材料的價格居高不下，應用成本較高，且產品質量無法得到有效保證，成為實現其進一步產業化應用的瓶頸。

（3）纖維復合材料在目前的結構補強領域應用廣泛，但其在被加固結構構件服役年限期滿后的回收利用問題未得到關注，材料的綠色應用存在階段性缺陷。

（4）在實際應用中仍有較多的力學機理尚待深入分析，如材料結構特性對力學性能的影響、荷載工況下復合材料柱/ 梁的變形規律，以及酸堿或凍融等惡劣環境下的蠕變性等。