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纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

2023-12-29 33 上传者：管理员

摘要：纤维复合材料轻质高强、抗腐蚀、耐久性好等突出的综合材料性能，使其在土木建筑工程领域得到了广泛的关注。为推动纤维复合材料的进一步发展与深入应用，该文从纤维混凝土复合材料、智能混凝土以及碳纤维复合片材补强等角度出发，综述了纤维复合材料在土木建筑工程中的应用现状，对比传统建筑材料的应用特点，总结了当前主流纤维增强复合材料的应用形式，为其在建筑工程中的应用提供一定的参考。

关键词：
土木建筑工程
抗腐蚀
智能混凝土
纤维复合材料
绿色环保、防腐耐久
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纤维复合材料凭借其优异的抗腐蚀、轻质高强等性能和突出的尺寸稳定性，早期主要应用于航空航天及军工等领域，后期逐步在建设工程行业得到了青睐。在土木建筑工程领域，纤维复合材料能满足现代化建设工程的轻质、高强、重载、大跨及耐腐蚀等一系列需求，在混凝土结构加固、桥墩维修补强、临海构筑物防腐等方面得到了越来越广泛的应用[1,2]。与此同时，随着生活水平的提高，人们对智能化材料的需求日趋高涨，如自检测、自修复以及自维修等，而智能/功能混凝土等纤维复合材料不仅能满足建筑工程的力学指标，而且能适应多种智能化场景需求，从而赋予大型建（构）筑物智能化应用与运行条件，提升桥梁或高速公路等的服役年限与使用品质[3]。研究和实践表明，纤维复合材料在土木建筑工程中的推广应用，可一定程度上改善传统建材应用的不足和缺陷，突破大跨、重载等传统设计极限[4]，同时凭借绿色环保、防腐耐久等性能，有效降低土木建筑施工领域的生产能耗和维护造价，更好地实现可持续发展目标。

1、纤维复合材料的应用特点

相比传统的水泥、钢筋或混凝土等建材而言，纤维复合材料拥有独特的优异性能。

(1）可设计性。纤维复合材料是由纤维材料和基材复合的产物，兼具纤维材料与基材各自组分的优势，且在性能上相互补充、取长补短，形成协同效果。例如，可通过纤维材料和树脂的选择，达到设计复合材料预期性能的效果。

(2）比强度、比刚度大。以树脂基纤维复合材料为主的复合材料密度较低，但具有较高的力学性能。如碳纤维复合材料，其密度仅约为钢材的0.2倍，钛合金的0.3倍，这使得CFRP材料的比强度显著优于常用的传统建材，如玻璃钢、超硬铝、高强钢等，且比模量均超过传统建材至少3倍[5]。再如碳纤维T300/5208，其比刚度为钢材的5倍以上。凭借轻质高强的特性，纤维复合材料能节约施工工期，降低施工复杂程度。

(3）耐疲劳。常规情况下，金属材料的疲劳强度仅为其极限强度的2/5～1/2，而对于纤维复合材料，如CFRP，其在荷载工况下表现为黏弹性特点，能抑制裂缝扩张，抗疲劳特性佳。而处于静态时，CFRP材料的破坏条件为极限强度应力的0.9倍，可循环作用逾百次，而相同工况下钢材的破坏极限仅为强度应力的50%左右[6]。

(4）抗腐蚀。使用寿命方面，纤维复合材料是传统钢筋和混凝土的2倍[7]，且大多为电绝缘材料，可以在酸碱等腐蚀性环境中长时间工作。将其用于近海结构的加固维修时，能够避免与海水发生化学反应，极大地提高了近海构筑物的服役年限，有效减少维修或改建频次，节约工程成本。

(5）延性好、抗震性能优良。纤维复合材料的自振频率高，阻尼大，一般不会出现脆断现象。同时，大量纤维体相对独立受力，即使部分纤维受力断裂，仍可将荷载传递至其余纤维承担，表现出较好的延性破坏特征。

(6）结构功能/智能化。纤维复合材料具备良好的设计性，因此前期材料性能在一定设计条件下可具备智能化。如经特殊材料制成的复合材料梁体，能够针对不同的振动环境自动产生一定的变形，改变固有振动频率，降低相应振幅，从而提升框架结构的服役年限，减少结构噪声[8]。

2、纤维复合材料在土木建筑工程中的主要应用

2.1 纤维混凝土复合材料

作为土木建筑工程中的主要材料之一，传统水泥混凝土存在脆性破坏、抗拉性能差等缺陷。而纤维的高抗拉强度可有效增强水泥基材料的机械性能，将其掺至水泥基体后，可形成强度高、耐久性好、延性优良且具备功能化特点的水泥基纤维复合材料，其中的纤维类别可包括碳纤维、智能纤维、钢纤维、玻璃纤维及芳纶纤维等。

2.1.1 纤维增强混凝土

针对传统水泥砂浆和混凝土材料的性能短板，为实现其性能的优化改良，可基于纤维阻裂机理[9]，通过掺入抗碱能力强、力学特性优异的纤维材料并以特定方式实现复合，从而形成纤维增强混凝土，提升传统混凝土材料的综合性能与应用价值。在纤维增强混凝土的发展早期，土木建筑领域大多利用钢纤维进行增强改造，随着应用深入与技术拓展，后续相继研发出了玻璃纤维、芳纶纤维、防弹丝纤维以及碳纤维等增强复合混凝土，其中尤以碳纤维增强混凝土的性能最为突出，具有耐强碱腐蚀、高力学性能和高稳定性的优势，得到建筑工程领域广泛的应用。在土木建筑领域，以碳纤维取代传统结构中的钢丝/钢筋，可在降低构件自重的同时，弱化钢筋混凝土结构的劣化趋势，既便于吊装，也能节约工期。另外，碳纤维具备一定的振动阻尼性能，能显著提升结构的抗震能力。相关研究[10]指出，在水泥混凝土中只需掺入约2%左右的碳纤维，即能大幅提升其抗拉与抗弯强度，同时也能进一步强化抗压强度。

2.1.2 功能/智能混凝土

随着现代化进程的发展，人们对智能建筑与智能材料的需求与日俱增，而纤维复合材料的出现能赋予传统混凝土更多的智能或功能，以满足不同使用工况的实际功能需求。

(1）磁场屏蔽。在某些需要屏蔽磁场的土木建筑项目中，如工业建筑、机房、变电站等，为使建筑物具备屏蔽功能，可在结构混凝土制备中掺入一定量的钢纤维。研究指出，乱向分布的短钢纤维具备电磁辐射屏蔽性能，其屏蔽能力与钢纤维的长度、体积、长径比等有关[11]。

(2）应变自感应。碳纤维的变形与所受应力具备相应的线弹性关系，因此可通过将碳纤维与水泥基材进行复合形成应变自感应混凝土，其可以借助复合材料中短切碳纤维，实现对混凝土受拉、受弯或受压等不同工况下的实时监测。

(3）自修复。以往的混凝土结构发生开裂后，一般需要通过外在措施进行加固补强。而在混凝土中掺入含有黏结材料的玻璃空心纤维时，在结构受损挤压引起玻璃空心纤维破裂后，可释放出黏结剂并使裂缝处重新愈合，实现自修复效果。此外，将编织纤维网掺入磷酸钙水泥基体中，借助水化、硬化、聚合等一系列反应，也可促进受损位置的自愈合[12]。

2.2 纤维聚合物筋

纤维聚合物筋作为一种复合材料制品，相比钢筋而言，在热膨胀系数、与混凝土黏结性、抗腐蚀性、抗疲劳性以及自重和强度等方面，均有更好的性能表现，因此可一定程度上替代钢筋，形成纤维聚合物筋混凝土结构，在地下连续墙钢筋笼、预应力钢筋等领域的应用优势更大。纤维聚合物筋的类别较多，其中的纤维可以是传统的碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等。纤维聚合物筋具备高强的性能，服役过程中载荷的施加不但能充分发挥其力学特性，而且可实现纤维聚合物筋混凝土梁抗裂能力的提升。因此，在混凝土梁或柱构件中，纤维聚合物筋可替代传统钢筋作为加强骨架进行应用，如将碳纤维聚合物筋应用于体外预应力筋或无粘结预应力筋，以契合其抗腐蚀、低模量等特性，或者利用优异的抗疲劳、耐腐蚀性能，将其用于悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥等缆索承重桥的主要竖向受力构件等。

2.3 结构补强材料

在土木建筑工程加固领域，纤维复合材料，尤其是碳纤维、芳纶纤维等复合片材的抗拉强度较高，是较为常见的结构修补加固材料。以纤维复合材料作为结构补强材料的加固方式主要是通过树脂黏合剂将纤维复合片材粘贴在待修补构件表面，使复合材料与结构构件整体受力、协同作用，进而实现构件裂缝修补或受力性能改善。

相比常规的粘钢加固方法，纤维复合片材加固方式不仅避免了易腐蚀、稳定性欠佳的缺点，其施工过程更为便捷，在不增加额外的自重与截面面积的同时，有效增强了构件的承载能力，且能适应不同的加固环境。在实际应用中，纤维复合片材加固方式通常用于受弯、受剪及抗震等不同工况[13]。

3、结束语

纤维复合材料能够取长补短，突破传统单一材料的应用局限，既有各组分原材料的优良性能，也有原材所不具备的特性，在我国土木建筑领域中占据重要的应用地位。但就当前的应用现状而言，纤维复合材料仍存在不足和发展瓶颈，如纤维复合材料在结构设计方面缺乏相应的指导规程、应用成本较高、回收问题未得到关注等，仍需对其进行更多的研究，以克服存在的问题，进一步提高其在建筑工程中的应用效果。

参考文献:

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[2]韩娟,刘伟庆,方海.纤维增强树脂基复合材料在土木基础设施领域中的应用[J].南京工业大学学报(自然科学版),2020,42(5):543-554.

[3]马衍轩,于霞,徐亚茜,等.智能纤维混凝土的力场损伤响应､监测与修复研究进展[J].材料导报,2021,35(19):19081-19090.

[4]刘淑娟.基于复合材料轨枕的重载单线铁路栓焊下承桁梁动力响应分析[J].粘接,2020,44(11):47-50,54.

[5]韩娟,刘伟庆,方海.纤维增强树脂基复合材料在土木基础设施领域中的应用[J].南京工业大学学报(自然科学版),2020,42(5):543-554.

[6]罗毅,张翔,郭馨艳.湿热环境下预应力CFRP加固RC梁疲劳性能数值分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(10):70-77.

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[11]孟建霞,张俊海,张枫.在工业建筑中钢纤维混凝土电磁屏蔽特性的应用[J].科技信息,2012(29):85.