復合材料在建筑工程中的應用

劉少杰 王劍

摘 要：復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過物理或化學的方法，在客觀（微觀）上組成具有新功能的材料，各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足建筑工程中各種不同的要求。

關(guān)鍵詞：復合材料，基本特性，建筑工程

1 復合材料的基本特性

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的基本材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新功能特性的新型建筑材料。各種材料在性能上相互取長補短，產(chǎn)生一定的協(xié)同作用，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組織材料的單一性質(zhì)，從而滿足各種新型智能建筑的各種不同需求。

1.1 復合材料的構(gòu)成及形態(tài)

復合材料由種類不同，性質(zhì)差異很大的幾種材料及其界面（相）層所組成，在結(jié)構(gòu)上大多為多相固體材料，經(jīng)過一定的設(shè)計及功能需要復合而成，通過復合效應獲得原組份材料所不具備的性能或在性能上產(chǎn)生協(xié)同作用，在復合材料的意義層面上與幾種物質(zhì)簡單的混合有著本質(zhì)的區(qū)別。簡而言之，復合材料是由連續(xù)基體相和分散增強相及相對應的界面相所構(gòu)成。組成復合材料的增強體和基體有時候也被人們稱作為增強相合基體相。另外，還有一種稱作界面相，界面相是增強相和基體相兩相之間存在的界面，由于它的特殊結(jié)構(gòu)被稱作復合材料中特殊的界面相。

1.2 復合材料的特性及分類

復合材料都是由于多種不同的相復合而成的材料，因此復合材料有著共同的一些特征，主要有以下三點：一是能夠發(fā)揮利用各種組成材料的優(yōu)點，使一種材料具有構(gòu)造相所擁有的多種優(yōu)良性能，使其具有天然材料所沒有的綜合性能；二是能夠根據(jù)材料性能的需要進行設(shè)計和制造；三是可根據(jù)其所需形狀進行設(shè)計，這樣可以避免多次加工工序。當然，在一定條件下也會出現(xiàn)一些缺陷。在一些條件下，由于濕熱、機械應力、紫外線、化學侵蝕的作用，會使得復合材料的性能變差，即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。

按照復合材料的來源分類，復合材料基本上可分為天然復合材料和人工復合材料兩種。由于構(gòu)成復合材料的基體不同，復合材料又可以分為樹脂基、金屬基和無機非金屬基復合材料。按照復合材料中的增強體的形態(tài)分類又可分為顆粒增強、短纖增強、晶須增強、連續(xù)的長纖增強、多維編織布增強和三維編織體增強等幾個類型。在目前復合材料的應用上，可把復合材料分為結(jié)構(gòu)復合材料、功能型復合材料以及智能型復合材料三個大的類別。按照增強材料的品種不同可以分為玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料以及有機纖維復合材料等。

2 復合材料在建筑工程中的應用

復合材料發(fā)展到今天，品種已經(jīng)十分繁多，但常見的分類方式主要有兩種。一種是根據(jù)金屬性分為金屬和非金屬兩大類，一種是根據(jù)用途分為常用和先進兩大類。從基體角度來說，金屬類的基體常用的有銅、鎂、鋁、鈦以及其它的合金等金屬類基體，非金屬類基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等非金屬類。從增強體角度來說，增強體材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。

按照常用和先進分為兩類時，根據(jù)其應用的成都進行分類，常見的如玻璃鋼便是由玻璃纖維等性能較低的增強體與普通樹脂基構(gòu)成。因其價格低廉從而大量發(fā)展，已廣泛用于船舶、建筑結(jié)構(gòu)、車輛、化工管道和貯罐、體育用品等方面。這一類稱作常用復合材料。諸如陶瓷基、碳（石墨）基和金屬基等為基體，碳纖維、芳綸、等高性能耐熱聚合物為增強體的復合材料，雖然性能十分優(yōu)異，但是由于其相對比較高昂的價格，目前只能用在國防工業(yè)、航空航天、機器人結(jié)構(gòu)件、精密機械、深潛器和高檔體育用品等，很難廣泛應用，此類稱作為先進復合材料。

因此，目前來說，在建筑領(lǐng)域主要應用的便是以非金屬類復合材料，常見的有合成樹脂、橡膠、玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維等。

2.1 合成樹脂

樹脂基復合材料在建筑工業(yè)中對減輕建筑物自重，提高建筑物的使用功能，改革建筑設(shè)計，提高經(jīng)濟效益，降低工程造價，加速施工進度等都十分有利，是實現(xiàn)建筑工業(yè)現(xiàn)代化的必要條件。目前在建筑中樹脂基主要應用在：承載結(jié)構(gòu)，例如：承重折板、屋面板、粱、柱、基礎(chǔ)、桁架、樓板等；圍護結(jié)構(gòu)，主要有各種波紋板，各種復合板，夾層構(gòu)板，折板結(jié)構(gòu)、整體式和裝配式殼體結(jié)構(gòu)等；采光制品，常用于工業(yè)廠房、農(nóng)業(yè)溫室、民用建筑以及大型公用建筑的屋頂、天窗及圍擴墻面采光等；給排水工程，如各種規(guī)格的高位水箱、給水玻璃鋼管、防腐排污管、化糞池等；門窗裝飾，常用于工業(yè)及民用建筑，裝飾板用作吊頂、墻裙、大型浮雕等；另外，還被應用到采暖通風、衛(wèi)生潔具、高層樓房屋頂建筑和其他一些特殊建筑等。

2.2 橡膠

到目前為止，橡膠在建筑領(lǐng)域中的應用十分廣泛，僅次于交通運輸領(lǐng)域，是第二大用膠大戶。橡膠在建筑領(lǐng)域中，既應用到傳統(tǒng)應用（如工程施工機械的輪胎、傳動帶、運輸帶、膠管、施工人員的作業(yè)服、防護罩、勞動靴、安全帽和施工現(xiàn)

場常見的膠板、蓬布等橡膠制品等）又是直接應用于建筑物和構(gòu)筑物主體的建筑材料。由于橡膠具有其它建筑材料所沒有的伸縮性、氣密性、防水性、阻尼性和緩沖性等集中在一起的優(yōu)異的特性，因而成為在現(xiàn)代建筑上的重要一環(huán)，使用數(shù)量和范圍逐年在擴大增加，目前橡膠建筑材料已發(fā)展到數(shù)千種之多。目前應用的橡膠建筑材料主要有橡膠防水材料、橡膠密封材料、橡膠支撐與隔震材料、橡膠鋪裝材料等4大類型。

2.3 玻璃纖維

目前，玻璃纖維是復合材料中使用最廣泛的纖維增強材料。根據(jù)目前的使用情況和形勢，玻璃纖維在未來將仍舊占據(jù)很大的市場。我國對玻璃纖維的使用起源于20世紀50年代初期，當時是用作絕緣材料，直到50年代末期才得到迅速發(fā)展，直到現(xiàn)在，玻璃纖維已經(jīng)廣泛使用于建設(shè)和發(fā)展中。現(xiàn)今，玻璃纖維在建筑工程中也占有很大的比例，主要應用在玻璃鋼，玻璃纖維增強水泥，內(nèi)外墻保溫材料，建筑防水材料，建筑防火材料這些方面。

2.4 碳纖維

碳纖維近年來開始進入建筑工程市場，簡單的說，碳纖維市一中含碳量極高（大部分碳纖維的含碳量在95%以上，含量在99%以上的稱為石墨纖維），并且在功能上具有高強度、高模量的新型材料。

盡管碳纖維可以直接單獨使用就能夠發(fā)揮某些作用，但是碳纖維屬于脆性材料，只有將它與基體材料牢固的結(jié)合到一起，才能充分的利用其優(yōu)異的力學性能，使之更好的承載負荷，所以，碳纖維主要在復合材料中做很好的增強材料。并且可以根據(jù)目的的不同選用不同的基體和復合方式來達到所要求的效果。

目前，應用到建筑工程中的技術(shù)最廣泛的就是使用碳纖維加固技術(shù)。碳纖維加固技術(shù)于80年代起源于美國，中國對這項技術(shù)起步較晚，于90年代末方才從國外引進。目前，加固主要有纖維布加固和纖維板加固兩種，通過碳纖維的加固對一些承載力不足的建筑構(gòu)件進行加固，從而避免了因構(gòu)筑物不合格而重建的損失。對于已投入使用但不滿足現(xiàn)有荷載要求的建筑物，進行加固，維修來滿足對荷載的要求。

目前，我國對碳纖維的研究不斷推進，已有數(shù)十所高校和研究所對其研究，并逐漸趕上世界先進技術(shù)，面對我國巨大的建筑市場，碳纖維技術(shù)將會有很大的前景與增長趨勢。就目前情況來看，在一般建筑工程中碳纖維應用還不夠廣泛，但是它的市場前景很廣闊，在很大程度上能夠適應現(xiàn)代高智能化的新型建筑工程。

3 結(jié)束語

建筑工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有很重要的地位，不論是哪一個國家，建筑工業(yè)永遠是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，復合材料在土木工程中的應用已經(jīng)越來越廣泛.隨著社會的發(fā)展，建筑的要求日益嚴峻，追求性價比的同時還要要求環(huán)境的保護，復合材料作為新型的建筑材料應更加加大研究。其不僅能夠有效地節(jié)約材料，還能提高材料的應用效率，具有很廣闊的應用前景。我國也應結(jié)合國外復合材料的研究生產(chǎn)符合我國現(xiàn)狀的復合材料，從而滿足經(jīng)濟飛速發(fā)展帶來的各項要求。

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