纖維復合材料在土木建筑工程中的應用

羅嘉源

(山西六建集團有限公司，山西 太原 030000)

隨著社會經濟的發展，各界對建筑工程的綜合質量提出更高的要求，例如在保證建筑結構穩定性和耐久性的前提下，減少能源消耗，追求良好的生態環境效益。升級建筑材料是提高建筑綜合質量的重要途徑，其中纖維復合材料頗具代表性，適應于大跨度、高強度的土木建筑工程。為此，深入研究纖維復合材料的特性及其應用方式具有重要意義，發揮出纖維復合材料的性能優勢，促進土木建筑工程的發展。

1 纖維復合材料的特點

1.1 高強度、輕質化

鋼筋、混凝土等傳統建筑材料的強度和剛度較高，但自重較重，對建筑基礎的建設質量提出較高的要求，建筑設計和施工的難度高。相比之下，纖維復合材料除了強度和剛度良好外，還具有輕質性，在同等建設規模下，重量僅為傳統建筑材料的1/2左右，將其用于土木建筑工程后，明顯減輕建筑的自重，降低對建筑基礎的要求，減輕建筑物的負擔和結構的疲勞，有利于維持結構的穩定性和提升建筑的耐久性。

1.2 防腐蝕、耐磨損

鋼筋、混凝土等傳統建筑材料在使用過程中可能發生腐蝕，影響結構的穩定性，降低結構的耐久性，尤其是在強酸堿環境或潮濕環境中，材料更易腐蝕。對于纖維復合材料，其采用特殊的樹脂基體和增強材料，原材料性質可靠，組成的纖維復合材料具有防腐蝕性能，即便在強酸堿、潮濕的環境中應用纖維復合材料，在長期使用過程中也不易發生腐蝕。并且，纖維復合材料還具有耐磨損的特點，進一步保障了建筑結構的穩定性和耐久性。由于纖維復合材料的防腐蝕、耐磨損特點，其在惡劣的建筑工程環境中可以取得良好的應用效果。

1.3 保溫隔熱

混凝土、磚石等傳統建筑材料的導熱系數高，用于建筑工程后，存在熱量的積累或流失，不利于維持室內溫度的穩定性，由于室內溫度偏高或偏低，將高度依賴暖通空調調節室內環境，增加能源消耗。不同于傳統建筑材料的是，纖維復合材料因導熱系數低而具有良好的保溫隔熱性能，同時含有碳纖維、玻璃纖維等增強材料，在應用此類材料后，將提升纖維復合材料的絕緣性能[1]。

1.4 靈活性

現代土木建筑工程更注重美觀性，需要針對性地設計材料的形態、尺寸，以建造獨具特色的建筑。混凝土、磚石等傳統建筑材料的使用方式相對單一，難以滿足建筑工程的個性化要求，而纖維復合材料具有靈活性，則可以根據建筑建設需要制作成各種形狀和尺寸的材料，還可向纖維復合材料中摻入某些外加材料，進一步提高結構的強度、剛度等性能。

2 纖維復合材料在土木建筑工程中的應用

2.1 在混凝土施工中的應用

在混凝土中摻入纖維物質后，能夠提升混合料的延伸性能和抗拉性能，各項性能指標，如表1所示。

表1 FRP力學性能指標

在混凝土中摻入纖維復合材料后，提升混凝土的抗裂能力、抗沖擊性能、耐震性能，混凝土結構有效抵御外部干擾，滿足耐久性的要求。常規混凝土的抗拉強度低、抗腐蝕性能弱，向其中摻入鋼、碳纖維等材料后，解決性能不足的問題，也可以設計出纖維增強混凝土、玻璃纖維混凝土等，滿足建筑工程的特殊要求。由于纖維復合材料的摻入，改善了混凝土的綜合性能，可吸收振動波，保證抗震效果。并且，由于纖維復合材料具有輕質性，還可降低建筑結構自重，加快施工速度。從拉伸強度的角度來看，纖維復合材料優于鋼筋，而在同等建設規模下，纖維復合材料的重量僅為鋼筋的1/4左右，且兼具高強度、高硬度等性能[2]。

2.2 在結構補強中的應用

在建筑結構加固中采用鋼板材料時，由于鋼板的抗腐蝕性能弱，隨著使用時間的延長，加固部位仍有可能出現異常。若采用纖維復合材料加固建筑結構，可提高強度，延長結構的使用壽命。例如，在連續纖維板上粘貼樹脂膠粘劑，用于加固建筑結構。在各類纖維材料中，碳纖維屬于典型材料，原因在于承重性能良好，在承受較大重量時仍維持穩定，因此成為主體結構增強、卷材修復中的重要材料。針對建筑結構耐久性不足、安全隱患多等問題，可以采用纖維增強材料進行補強處理，其中應用較為廣泛的是芳綸纖維和碳纖維，原因在于纖維材料的性能可靠，質量較輕，可降低施工難度，提升施工的靈活性。纖維復合材料的類型豐富，有纖維增強塑料模板、纖維增強粘合劑等材料可供選擇，滿足了不同類型建筑、不同特性建筑結構的加固補強要求。

纖維復合材料適用于建筑結構加固修補工程，例如在處理鋼筋混凝土結構裂縫、強度不足等問題時均能夠取得良好的應用效果。相比常規的粘貼鋼板結構加固方式，纖維復合材料加固具有高強度、施工便捷、穩定耐久等突出優勢，具體表現為如下幾方面。

1)纖維復合材料的強度高，質量輕，用于鋼筋混凝土結構時，大幅提升結構的抗剪、抗彎、抗震等性能，且對原結構自重的影響不大，無需考慮因加固補強材料的應用而導致建筑結構超重的問題。

2)纖維復合材料的施工便捷，以碳纖維加固混凝土結構為例，全程無需使用大型機械設備，僅由施工人員向預處理好的結構人工纏繞材料即可，同時也減輕了混凝土結構加固的噪音污染和粉塵污染。

3)纖維復合材料具有輕薄的特性，在加固建筑結構時不會影響原結構的形態、尺寸。

4)纖維復合材料的耐腐蝕性良好，適用于潮濕、強酸堿等特殊環境，用纖維復合材料加固補強的結構具有耐久性。并且，由于纖維復合材料在結構加固補強中的長效性優勢，還可減少后期的維護工作。

5)根據導電特性進行質量檢測，準確評價纖維復合材料在建筑結構加固中的應用效果，便于管控加固質量。

2.3 纖維聚合物筋

以芳綸纖維聚合物筋、碳纖維聚合物筋等為原材料，經拉擠處理后制作成型的纖維聚合物筋具有可靠的拉伸性能和較高的強度，在預應力混凝土結構加固中能夠取得良好的應用效果。纖維聚合物筋的拉伸性能曲線，如圖1所示。

圖1 FRP片材拉伸曲線

2.4 在結構涂層中的應用

涂層具有裝飾作用，用于建筑工程的涂層應具有抗拉性能可靠、材質穩定、耐久、美觀等特點。纖維復合材料兼具防護作用和美化作用，可以用于封蓋屋頂、膜結構建筑中，一方面防護建筑外圍結構，另一方面通過形態、色澤的優化來提升建筑的美感。

2.5 纖維復合材料橋面體系

橋梁工程可采用纖維復合材料，通過材料的高強度優勢提高橋梁結構的強度，也能夠使橋面具有足夠的承載性能，以保證橋梁的安全使用。相比常規橋梁施工材料，采用纖維復合材料建設的橋梁具有更高的動態荷載水平。涂料作為工程結構施工中的重要材料，應具有較高的強度和較強的張力，在當前建筑工程的復合涂料類型中，以纖維復合材料頗具代表性，其能夠防護結構表面以及改善結構的表觀質量。在承重結構中應用纖維復合材料時，可以根據工程建設要求加工成特定形狀的承重構件，以滿足承重樓板、折疊板等結構對于特殊形態的要求。在工業廠房建筑的地板和外墻施工中應用纖維復合材料后，可以提升結構的耐腐蝕性能，延長結構的使用壽命，因此纖維復合材料在生產條件特殊的工業廠房建筑中具有可行性[3]。

2.6 在承載結構中的應用

在建筑承載結構中采用纖維復合材料后，可在一定程度上替代鋼筋及混凝土，保證建筑結構的質量，提升建筑的耐久性。在水壩、港口、公路等高質量要求的土木工程中，可以采用纖維復合材料，既能夠提高結構的質量，又可降低成本。而在建筑裝飾裝修領域，門窗、保溫板等也可以采用纖維復合材料，提升保溫隔熱性能[4]。

2.7 智能型纖維復合材料

新型混凝土材料包含智能混凝土、輕型混凝土等。其中，智能混凝土是以常規混凝土為基礎，根據強度、耐久性等要求摻入添加劑后制備而成的新型材料，具體細分為綠色混凝土、溫控混凝土等，更有效地滿足現代建筑對環境調控、節能環保的要求。智能混凝土包含屏蔽水泥基復合材料、溫差水泥基復合材料等，改善了常規混凝土結構的局限性。例如，對于傳統材料抗電磁干擾能力弱的問題，可以采用磁場屏蔽復合材料予以解決，在此方面主要應用的是智能光纖，保證磁場屏蔽效果。向水泥基材中混合碳纖維、鋼纖維等材料，制備的混合料能夠有效隔絕電磁波，改善混凝土性能。向普通混凝土中摻加碳纖維后，發揮出碳纖維的材料性能，形成“熱點”效應新型材料，實現對建筑溫度、電力等資源的充分利用。而根據建筑混凝土結構抗破壞性、穩定性、耐久性的要求，可以向混凝土中摻入導電纖維，將此類混合料應用于建筑工程結構中，有助于消除結構靜電，使結構正常使用。除此之外，自感應應變混凝土、自修復混凝土均是現代建筑工程中較為主流的材料，隨著材料制備工藝和施工技術的升級，將在建筑工程中取得愈發廣泛的應用。

3 纖維復合材料在土木建筑工程中的應用問題與建議

現階段，土建結構加固中應用纖維復合材料的實例較多，該材料已經在部分建筑工程中取得良好的應用效果，但關于纖維復合材料特性的理論研究以及材料實踐方式相對有限，例如利用纖維復合材料加固建筑結構的設計方法較少，材料的適用范圍較窄，針對此類問題，提出如下發展建議。

1)提升纖維復合材料在特殊結構加固中的可行性。在鋼結構、木質結構的加固中，仍以傳統加固材料為主，纖維復合材料的應用較少，因此需要進行技術研究和實踐探索，提升纖維復合材料在此類結構中的可行性。對于化工廠房及某些圍墻等防護工程，也可以考慮纖維復合材料的應用方式，但由于此類結構的強度要求高，因此在應用纖維復合材料時仍需做進一步的研究，發揮出材料的高強度特性。

2)提升黏結膠的性能。在建筑結構中應用纖維復合材料時，通常采用黏結膠進行黏結，因此除了纖維復合材料自身的特性外，黏結穩定性也將影響最終的施工效果，例如纖維復合材料具有抗酸堿腐蝕、耐高溫、耐低溫等特性，即便材料自身滿足各項性能要求，但若黏結膠的穩定性不足，也會影響最終的施工效果，表現出材料脫落或其它的問題。如此一來，提升黏結膠的性能則尤為重要，技術人員需要根據纖維復合材料的特性研究與之相適配的黏結膠，且還需做好黏結前的清理、黏結后的試驗檢測等工作。

3)深入研究黏結破壞面的特性。在外力作用下，組成纖維復合材料的各類原材料因受力狀態差異而出現多種形式的破壞，觀察纖維復合材料可以發現其斷裂情況較為復雜。為此，需要深入研究纖維復合材料黏結破壞面的特性，確定不同組成材料的受力性能，進行優化設計，用性能可靠的原材料制作綜合質量較高的纖維復合材料，降低斷裂的發生率，減小斷裂的影響范圍。

4)研究不同環境的加固工藝。嚴格控制溫度和濕度是保證纖維復合材料有效應用的重要前提，根據工藝要求，建議環境溫度為5～35℃，相對濕度低于70%。但建筑工程施工環境復雜，在應用纖維復合材料時可能遇到酷暑、嚴寒、強降雨等極端天氣，干擾正常施工，甚至影響纖維復合材料的應用效果。因此，技術人員需要深入研究纖維復合材料的加固工藝，保證在各類特殊環境中仍能夠順利完成纖維復合材料的施工作業并且取得良好的材料應用效果。

4 結語

綜上所述，纖維復合材料在土建工程中取得廣泛應用，可以起到加固結構、減輕建筑自重、提升抗震性能、增強美觀性等作用。但纖維復合材料的施工要求高，施工細節多，可能因方法不當或管控不到位而出現質量問題。因此，建議相關工程人員持續進行技術研究，優化纖維復合材料的應用方法，提升材料的性能，解決現存問題，提高該材料在土木建筑工程中的應用水平。