土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

王旭東

（上海中僑職業(yè)技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201514）

隨著建筑工程領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和人類對(duì)多種環(huán)境下的建筑需求，建筑材料的需求量在增大的同時(shí)建筑材料的性能要求也在拔高。傳統(tǒng)的建筑材料由于其強(qiáng)度、抗震、耐高溫等方面性能的不足導(dǎo)致傳統(tǒng)建筑物的質(zhì)量較低，阻礙了建筑工程在嚴(yán)苛環(huán)境下的應(yīng)用。對(duì)此，許多新型建筑材料應(yīng)運(yùn)而生，其中，纖維復(fù)合材料是較為重要的組成部分之一［1］。

復(fù)合材料是由兩種或以上不同性質(zhì)的材料經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)方法進(jìn)行加工得到的新型材料，往往兼具其組成部分的高性能。纖維復(fù)合材料是將各種高性能纖維作為增強(qiáng)相，與基材通過(guò)纏繞或拉擠等方式成型得到的復(fù)合材料，纖維復(fù)合材料通常表現(xiàn)出其增強(qiáng)纖維的性質(zhì)，如碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和較低的自重，芳綸纖維的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)了近60%［2-3］。按照纖維形態(tài)類型的不同可將其分為短纖維和長(zhǎng)纖維，非連續(xù)結(jié)構(gòu)短纖維對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗裂性就較大的提升，而連續(xù)的長(zhǎng)纖維對(duì)復(fù)合材料的延展性、韌性的增強(qiáng)更為突出，纖維的復(fù)合使得原本易產(chǎn)生裂紋的混凝土對(duì)裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展有了較大的抵抗能力，可以更加穩(wěn)定地服役［4］。同時(shí)，韌性的提高使得混凝土材料具備一定的抗沖擊能力，但纖維復(fù)合材料在現(xiàn)階段的應(yīng)用中仍具有較明顯的缺陷。近年來(lái)，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在各種領(lǐng)域都有大量應(yīng)用，本文簡(jiǎn)單介紹了纖維復(fù)合材料的特性和優(yōu)勢(shì)，并將其在建筑工程中的運(yùn)用做了簡(jiǎn)要的介紹和歸納，為更好地應(yīng)用纖維復(fù)合材料提供了一定的參考。

1 纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

1.1 可設(shè)計(jì)性

纖維復(fù)合材料在成型時(shí)需要添加纖維作為增強(qiáng)相，為了使纖維可以和基材充分接觸并混合，不同的混雜纖維類型對(duì)基材的增強(qiáng)著重點(diǎn)有著較為明顯的區(qū)別，使得纖維復(fù)合材料的成型工藝可以達(dá)到明確構(gòu)件性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬和調(diào)配的功能，纖維復(fù)合材料在表現(xiàn)出極為優(yōu)良的適應(yīng)性的同時(shí)也具有較佳的設(shè)計(jì)性［5-6］。通過(guò)建筑工程師對(duì)施工期間整個(gè)建筑工程材料性能目標(biāo)的評(píng)估和計(jì)算，可以更為合理地對(duì)纖維復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)用，有效降低工程的施工成本。

1.2 力學(xué)性能優(yōu)越

纖維種類的不同對(duì)纖維復(fù)合材料性能的增強(qiáng)也有所差別，例如聚丙烯纖維等有機(jī)纖維對(duì)復(fù)合材料的韌性提升較大，而鋼纖維、碳纖維等無(wú)機(jī)纖維對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提升較為明顯［7］。然而可以明確的是，纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了大幅度的提升。通過(guò)文獻(xiàn)對(duì)纖維復(fù)合材料的研究可知［8］，纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和同直徑的鋼筋相比提高了100%以上，最高可達(dá)到鋼筋的8倍。同時(shí)，纖維復(fù)合材料在承受相同的載荷時(shí)產(chǎn)生的塑性變形量也遠(yuǎn)小于鋼筋［9］。優(yōu)越的力學(xué)性能使得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用環(huán)境，從而達(dá)到降低整體建筑工程復(fù)雜程度的效果。

1.3 耐腐蝕性

隨著我國(guó)對(duì)資源的利用開發(fā)，各種嚴(yán)苛環(huán)境下如油田、深海等的建筑工程應(yīng)用開始增多，建筑材料容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，以沿海地區(qū)為例，由于空氣較為濕潤(rùn)且海水中的鹽濃度要遠(yuǎn)高于常規(guī)狀態(tài)下，水分子容易滲入到復(fù)合材料中，鋼筋類的材料容易遭受腐蝕導(dǎo)致材料性能的降低［10］。而材料的腐蝕一旦發(fā)生，就會(huì)對(duì)建筑工程的整體質(zhì)量造成較大的影響，更甚如果施工材料被腐蝕必然會(huì)影響有效應(yīng)用，從而留下安全影響，不僅會(huì)影響建筑的整體質(zhì)量，還會(huì)影響工程經(jīng)濟(jì)效益。在沿海地區(qū)，在不同種類的纖維類型中，無(wú)論是有機(jī)纖維亦或是無(wú)機(jī)纖維都具有較高的耐腐蝕性能，相對(duì)鋼筋而言，復(fù)合材料的滲水問(wèn)題對(duì)纖維并不會(huì)造成較大的影響，即便材料處于潮濕環(huán)境或整體處于水環(huán)境下，纖維材料也不會(huì)發(fā)生材料的腐蝕，即使是鋼纖維也會(huì)在基材的包裹下腐蝕發(fā)生較為緩慢［11］，使用壽命得到延長(zhǎng)。

1.4 良好的抗震性

纖維復(fù)合材料的基體和纖維的結(jié)合方式使其具有較好的緩沖效果，即優(yōu)良的減震性。文獻(xiàn)中指出，纖維復(fù)合材料在受到一定的沖擊時(shí)，其特殊結(jié)構(gòu)會(huì)使材料在不同的外加頻率下保持結(jié)構(gòu)的完整性和性能的穩(wěn)定性，在相同頻率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中纖維復(fù)合材料的減震性要優(yōu)于其他材料［12］。

1.5 抗疲勞性

無(wú)論是傳統(tǒng)建筑材料或金屬材料，在承受應(yīng)力載荷的循環(huán)施加后都會(huì)發(fā)生應(yīng)力疲勞，并且在環(huán)境的溫度循環(huán)下，材料的熱膨脹性能較低，在熱脹冷縮的影響下會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能的降低。而在低溫環(huán)境下更是會(huì)出現(xiàn)“脆化”現(xiàn)象。在纖維復(fù)合材料中，纖維的添加使纖維復(fù)合材料的韌性得到有效的提升，根據(jù)文獻(xiàn)顯示，纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能要比金屬材料高出30%以上，服役壽命較長(zhǎng)［13］。

1.6 較強(qiáng)的安全性

為了保證建筑物整體的穩(wěn)定，通常會(huì)將建筑材料在外界環(huán)境下的損壞納入建筑設(shè)計(jì)中，而纖維復(fù)合材料的內(nèi)部具有一定數(shù)量的獨(dú)立纖維，這些細(xì)小的獨(dú)立纖維可以有效填補(bǔ)基材內(nèi)部的微孔和孔隙，抑制的裂紋的萌發(fā)，同時(shí)在裂紋兩端的長(zhǎng)纖維和短纖維均在一定程度上具有將裂紋橋連的作用，從而對(duì)裂紋的擴(kuò)展有一定的抑制效應(yīng)。且纖維的混雜通常是以束為單位，單一纖維的斷裂會(huì)被其他纖維的載荷分擔(dān)，構(gòu)件的承載力得到了加強(qiáng)，因此對(duì)于整體建筑的安全性具有非常高的保護(hù)作用。

2 纖維復(fù)合材料的發(fā)展缺陷

雖然纖維材料的優(yōu)點(diǎn)很多，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、可靠的安全性和耐蝕性，但仍然存在一定缺陷［14］。首先，纖維復(fù)合材料的制造成本較高，限制了纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的大規(guī)模的應(yīng)用。而且，與混凝土等傳統(tǒng)建材相比，纖維復(fù)合材料的性能波動(dòng)性較大，在工程使用中依靠設(shè)計(jì)師或建筑工人自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏一定的精準(zhǔn)性。最后，由于纖維材料和基體結(jié)合較為緊密，且纖維細(xì)小、強(qiáng)韌的特性使纖維復(fù)合材料的回收較為困難，因此現(xiàn)在對(duì)纖維復(fù)合材料的回收和循環(huán)利用仍沒(méi)有相對(duì)成熟的機(jī)制，與現(xiàn)在的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相左。總之，纖維復(fù)合材料仍需要對(duì)工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3 纖維復(fù)合材料在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 增強(qiáng)混凝土

混凝土是現(xiàn)在建筑工程中最為常見(jiàn)且應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，混凝土材料具有高強(qiáng)度、耐火、耐酸等種種優(yōu)勢(shì)，但易產(chǎn)生裂縫和抗?jié)B性較低的缺點(diǎn)是混凝土材料失效的主要原因。將纖維材料作為增強(qiáng)相可以增加混凝土的致密性，從而達(dá)到對(duì)混凝土強(qiáng)度的強(qiáng)化，并且纖維材料對(duì)混凝土中缺陷的填補(bǔ)也能明顯提升混凝土材料的抗?jié)B性。在傳統(tǒng)的混凝土材料運(yùn)用中，加筋處理是對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度和韌性加強(qiáng)的主要方式，而內(nèi)包裹的鋼筋容易受到環(huán)境的影響發(fā)生腐蝕，纖維材料對(duì)混凝土抗?jié)B性的提高保護(hù)了內(nèi)包裹的鋼筋的服役壽命［15］。

纖維材料對(duì)混凝土的增強(qiáng)不僅體現(xiàn)在抗?jié)B性的提高上，對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土材料的延展性、抗沖擊等特性也有所展現(xiàn)，簡(jiǎn)而言之，纖維材料可以多方面、多角度的提升混凝土材料的性能，使混凝土的應(yīng)用范圍拓展，服役壽命得到有效延長(zhǎng)，提升建筑工程的質(zhì)量［16］。

3.2 涂層織物

在以纖維材料為原料制成織物正反兩面形成單層或多層的聚合物涂層，即涂層織物，是新型的復(fù)合涂層織物，有別于傳統(tǒng)的棉織物等涂層織物，纖維材料涂層織物具有極高的拉伸強(qiáng)度和抗張力，且物理化學(xué)性能極為穩(wěn)定，耐腐蝕，將其涂附在材料表面可以有效保護(hù)材料表面和維持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)在其強(qiáng)大的拉伸性能下，即使建筑材料發(fā)生了一定程度的開裂或缺陷，涂層織物依然能維持建筑工程的穩(wěn)定服役［17］。同時(shí)，隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，纖維涂層織物還可以承擔(dān)更多的作用，如疏水、阻燃和遮光等其他性能，為建筑工程的多功能性做出了貢獻(xiàn)。且如珠光涂層織物等更是具有極為美麗的外觀特性，提升建筑的美學(xué)價(jià)值。纖維涂層織物的多種功能使得纖維復(fù)合材料在膜結(jié)構(gòu)建筑和對(duì)建筑工程的維修中也發(fā)揮顯著作用。

3.3 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的主力軍往往是抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度較高的鋼鐵材料，但金屬材料的高自重和易腐蝕的特點(diǎn)使得其服役周期較短，鋼鐵材料在作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料時(shí)，同時(shí)受到外加載荷和腐蝕環(huán)境的影響，通常會(huì)發(fā)生突發(fā)性滯后斷裂，這種失效模式是突發(fā)性的且一旦發(fā)生將徹底失效。而纖維復(fù)合材料不僅抗拉強(qiáng)度與金屬材料相當(dāng)甚至有所超出，以纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料可以整體提升建筑材料的性能。以碳纖維為首的新型高強(qiáng)纖維材料對(duì)載荷的承載力更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁或道路工程的基樁進(jìn)行加固處理，同時(shí)應(yīng)用纏繞工藝還可以防止建筑工程發(fā)生結(jié)構(gòu)的開裂［18］。

3.4 用于承載結(jié)構(gòu)

在不同的建筑工程中，承載結(jié)構(gòu)往往有較大的差異，對(duì)承載結(jié)構(gòu)的功能和形態(tài)也有著較為明顯的區(qū)別。纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能和極高的可塑性使其可以制備出形態(tài)結(jié)構(gòu)各異的承載結(jié)構(gòu)，如排架、梁板等。在鋼構(gòu)建筑工程中，纖維復(fù)合材料便是承載結(jié)構(gòu)的主要材料。通常而言，由于纖維復(fù)合材料突出的耐蝕性和抗?jié)B性，纖維復(fù)合材料常見(jiàn)于外墻板或樓板等易出現(xiàn)腐蝕的構(gòu)件中，以提升建筑的服役壽命，同時(shí)滿足建筑的隔熱、保溫等功能化的設(shè)計(jì)，也可以達(dá)到代替混凝土、降低自重的同時(shí)對(duì)建筑的耐久性進(jìn)行加強(qiáng)［19］。在常規(guī)的建筑工程中，纖維復(fù)合材料制成的隔熱板、門窗構(gòu)件等也極為常見(jiàn)，由于纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度高、韌性高，作為此類構(gòu)件時(shí)不僅可以滿足功能需求，也加強(qiáng)了構(gòu)件的外觀性，且簡(jiǎn)化了構(gòu)件的施工過(guò)程，提升了人工效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

纖維復(fù)合材料所具有的優(yōu)異耐蝕性、耐沖擊性能和極高的力學(xué)性能使其在建筑工程中可以實(shí)現(xiàn)多方面的應(yīng)用，在取代傳統(tǒng)建筑材料、降低環(huán)境污染的同時(shí)也對(duì)建筑工程的整體質(zhì)量有著明顯的提高。而通過(guò)對(duì)纖維復(fù)合材料特性的把握還能達(dá)到建筑多功能化的效果，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑工程質(zhì)量、功能、經(jīng)濟(jì)效益三重優(yōu)化具有較大的意義。所以，在現(xiàn)代新型建筑工程的建設(shè)中，取代傳統(tǒng)高污染、低性能的建材，對(duì)新型建筑材料的開發(fā)和運(yùn)用，是今后建筑工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，而加強(qiáng)對(duì)纖維復(fù)合材料等新型建材的科學(xué)合理的選擇與應(yīng)用，更是在綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展理念下，提高建筑工程質(zhì)量和推動(dòng)建筑領(lǐng)域的發(fā)展極為重要的一環(huán)。