土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的應(yīng)用_《產(chǎn)業(yè)用紡織品》2008年第6期

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2014-06-06 09:14

本文摘要：注：本文摘自《產(chǎn)業(yè)用紡織品》2008年第6期總第213期，作者：鄧文；崔建偉；張慧萍；晏雄【摘要】：針對土木和建筑工程的發(fā)展趨勢，探討纖維復(fù)合材料在土木和建筑工程中應(yīng)用的優(yōu)勢。介紹了國內(nèi)外纖維復(fù)合材料在土木和建鞏A-A-J-中應(yīng)用的進展。【關(guān)鍵詞】：

　　注：本文摘自《產(chǎn)業(yè)用紡織品》2008年第6期總第213期，作者：鄧文；崔建偉；張慧萍；晏雄

　　【摘要】：針對土木和建筑工程的發(fā)展趨勢，探討纖維復(fù)合材料在土木和建筑工程中應(yīng)用的優(yōu)勢。介紹了國內(nèi)外纖維復(fù)合材料在土木和建鞏A-A-J-中應(yīng)用的進展。

　　【關(guān)鍵詞】：纖維復(fù)合材料，土木工程，建筑工程，應(yīng)用

　　0引言

　　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)都是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著社會的進步，人們對居住面積、房屋質(zhì)量和娛樂設(shè)施等提出越來越高的要求，已成為推動建筑工業(yè)改革發(fā)展的動力。建筑工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向是：改善施工條件、加快建設(shè)進度、降低成本、提高質(zhì)量、節(jié)約能源、減少運輸、保護耕地、保護環(huán)境和提高技術(shù)經(jīng)濟效益等。為了達到此目的，必須改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料？。

　　隨著軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來的纖維復(fù)合材料，由于具有良好而獨特的性能，適應(yīng)了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高聳、重載、高強和輕質(zhì)方向的發(fā)展，在土木建筑工程中的應(yīng)用日益擴大。纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩類：一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如粱、柱、骨架結(jié)構(gòu)等；另一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等膜構(gòu)件材料J。纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)建筑材料應(yīng)用于土木建筑工程，既為紡織行業(yè)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域，注入了新的活力，同時也為土木建筑業(yè)解決一些技術(shù)難題如能耗大、不利于環(huán)境保護等提供了新的途徑。

　　本文闡述纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的特點極其應(yīng)用等，為紡織品在該類行業(yè)的推廣提供參考。

　　1土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的特點土木建筑工程中纖維復(fù)合材料有如下幾方面特點。

　　（1）材料性能的可設(shè)計性

　　纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時，由于其是基體材料和增強材料等組分材料的組合，既可保持原組分材料的某些特點，又能發(fā)揮組合后的新特性，且可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進行設(shè)計，以滿足單一材料無法達到的性能要求。

　�。�2）過載安全性好

　　在纖維復(fù)合材料中，由于有大量獨立的纖維，當(dāng)過載時復(fù)合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構(gòu)件在瞬間喪失承載能力而斷裂。

　�。�3）高的比強度和比剛度

　　一些纖維復(fù)合材料如碳纖維T300／環(huán)氧樹脂5208的比強度是鋁材的6.3倍、鋼材的5倍，比剛度為鋁材的4。16倍，因此纖維復(fù)合材料是一類輕質(zhì)高強建筑材料。

　　（4）結(jié)構(gòu)功能／智能化

　　在土木建筑工程中應(yīng)用智能纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)具有一定的智能功能。例如美國人在建筑物中使用智能復(fù)合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長，達到了建筑物結(jié)構(gòu)噪聲與振動的主動控制J。

　�。�5）抗疲勞性能好

　　一般金屬的疲勞強度為拉伸強度的40％～50％，而某些纖維復(fù)合材料的疲勞強度可達其拉伸強度的70％～80％，具有良好的抗疲勞性能。

　�。�6）良好的抗震性能

　　纖維復(fù)合材料相對傳統(tǒng)建筑材料自振頻率甚高，不易出現(xiàn)共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象；同時因為其存在大量的界面，振動阻尼性也很大，一旦激起振動，衰減也快。

　　（7）良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性

　　傳統(tǒng)建筑材料如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使土木工程不能發(fā)揮應(yīng)有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復(fù)合材料是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制作的設(shè)備或構(gòu)件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力。

　　（8）高美學(xué)欣賞性

　　纖維復(fù)合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結(jié)構(gòu)型式和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。

　　2纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

　　2.1纖維材料增強混凝土的應(yīng)用在建筑業(yè)中，混凝土是一種不可或缺的材料，它的用量也較大，一般多以鋼筋來增強，但由于鋼筋本身易受酸堿作用產(chǎn)生腐蝕，從而對混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的混凝土產(chǎn)品。

　　纖維混凝土是在對混凝土的創(chuàng)新過程中應(yīng)運而生的一種產(chǎn)品，最早使用的多為鋼纖維、玻璃纖維和維綸增強混凝土。目前使用的較為新型的有碳纖維、芳綸和丙綸混凝土。在纖維增強混凝土中，纖維用來充當(dāng)增強材料，纖維的本身性能如強度、模量、斷裂長度等和纖維在此中的空間結(jié)構(gòu)、體積含量等都決定著混凝土的性能。纖維增強混凝土分為短纖維增強混凝土和長纖維增強混凝土。

　　短纖維增強混凝土中的纖維一般切成幾毫米至幾十毫米長度，隨機摻人砂漿基材之中，可以替代或部分替代鋼筋。與傳統(tǒng)混凝土相比，它的拉伸強度和抗彎強度大，防裂性能好，多用于內(nèi)外裝飾板材和部件。長纖維增強混凝土多采用連續(xù)碳纖維、芳綸等制成棒狀、網(wǎng)狀或三維異型織物，用環(huán)氧樹脂或乙烯酯樹脂制成纖維增強塑料骨架，以替代鋼筋構(gòu)成新型復(fù)合混凝土材料，常用作墻板、護墻板和主體建筑物。一般來說，長纖維增強混凝土的性能優(yōu)于短纖維增強混凝土。

　　2.1.1常用各種不同類型纖維混凝土的特點傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)隨著時間的推移，其腐蝕、劣化問題不斷發(fā)生，其中以鋼材銹蝕最為常見。這不僅影響到工程結(jié)構(gòu)的正常使用和壽命，還會產(chǎn)生工程安全事故及隱患。鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應(yīng)用有限；玻璃纖維的拉伸強度高于鋼筋，其重量只有鋼筋的四分之一，受水泥和海水的侵蝕遠遠低于鋼筋，但玻璃纖維易折斷，不耐堿，應(yīng)用有污染；丙綸加工工藝簡單，價格低廉，性能優(yōu)異，丙綸增強混凝土很好地解決了建筑生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，避免和減少了鋼材銹蝕事故的發(fā)生，近年來得到推廣應(yīng)用。碳纖維具有低密度、高強度、高硬度的多種特點，抗拉強度和彈性模量高，導(dǎo)電導(dǎo)磁，能耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結(jié)良好，但碳纖維因為導(dǎo)電導(dǎo)磁有些建筑不能應(yīng)用，且碳纖維成本較高；芳綸輕質(zhì)高強，柔韌性好，力學(xué)性能介于碳纖維和玻璃纖維之間，而且是電場、磁場的絕緣體，不會對電場、磁場產(chǎn)生干擾，但芳綸價格也高。新型纖維增強混凝土的應(yīng)用逐漸增多。

　　2.1.2功能、智能纖維混凝土隨著社會和科技的發(fā)展，混凝土材料不僅要承受荷載，還要適應(yīng)多功能和智能建筑的需求。纖維復(fù)合材料應(yīng)用于功能／智能混凝土主要有：屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料、水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料、應(yīng)變自感應(yīng)混凝土、溫差水泥基復(fù)合材料、自修復(fù)混凝土、導(dǎo)電水泥混凝土等。

　�。�1）屏蔽磁場水泥基復(fù)合材料：為了使路面和建筑物具有屏蔽磁場的功能，一般采用在混凝土中加入別針形的鋼纖維來達到屏蔽作用。研究結(jié)果表明，在混凝土中摻人5％（體積）的鋼質(zhì)別針即可獲得較好的屏蔽磁場效果。

　�。�3）應(yīng)變自感應(yīng)混凝土：該類型纖維混凝土是將碳纖維等物質(zhì)均勻分散摻入到水泥基材中，使其具有自感知其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。如美國學(xué)者將短切碳纖維摻入混凝土材料中，使其可以敏感有效地監(jiān)測拉、彎、壓等各種狀態(tài)下材料的內(nèi)部情況。

　�。�2）水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料：這種纖維水泥復(fù)合材料是在水泥基中加入纖維（如碳、鋁、鋼等）來獲得屏蔽電磁波的功能。日本學(xué)者采用纖維氈作為吸附電磁波的功能組分，制作了輕質(zhì)兼有防震功能且對電磁波吸收可達90％以上的幕墻。

　　此外，文獻表明該類型纖維復(fù)合材料不僅有屏蔽電磁波的功能，還能用于近年發(fā)展起來的智能交通系統(tǒng)導(dǎo)航。

　�。�4）溫差水泥基復(fù)合材料：該材料的制備機理是將切短的碳纖維適量摻入混凝土材料中使其具有熱電效應(yīng)，利用這種混凝土材料能實時監(jiān)測建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。

　　（5）自修復(fù)混凝土：該混凝土將含有粘結(jié)劑溶液的玻璃空心纖維混入混凝土，混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂后，玻璃空心纖維就會破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，達到愈傷的效果。此外，美國還根據(jù)動物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，其中加入多孑L的編織纖維網(wǎng)，利用多孑L纖維在水泥水化和硬化過程中釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化，使纖維網(wǎng)的表面形成大量互相穿插粘結(jié)的有機及無機物質(zhì)，制成類似動物骨骼結(jié)構(gòu)的無機有機相結(jié)合的復(fù)合材料。同時當(dāng)混凝土發(fā)生損傷時，多孑L有機纖維會釋放聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，使損傷愈合。

　　（6）導(dǎo)電水泥混凝土：在水泥基體中摻入適量纖維導(dǎo)電材料碳纖維或金屬纖維，不僅可以使水泥基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，還能改善它的力學(xué)性能，增加延展性。導(dǎo)電水泥混凝土可應(yīng)用于工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)，道路路面處的化雪除冰，住宅的電熱結(jié)構(gòu)。

　　2.2纖維復(fù)合材料的涂層織物在建筑材料方面的應(yīng)用涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得的復(fù)合材料。作為底布的織物起著骨架的作用，承擔(dān)著復(fù)合材料的抗張強力、撕裂強力、尺寸穩(wěn)定性等方面的功能；涂層劑則承擔(dān)著保護底布組織以及表面特性（如防水、耐蝕）的職能。基布是涂層織物的骨架，它的性能影響著最終產(chǎn)品的性能。基布最初多用棉織物，但由于棉織物易霉、怕腐蝕，布身重，使用壽命短，故隨著化纖業(yè)的發(fā)展逐漸棄用，開始大量采用維綸、滌綸、錦綸等，芳綸、玻璃纖維制作基布效果也較為理想，但因成本高不宜于大量使用。在制成織物上，實際應(yīng)用中仍以機織物為多。這是由于機織物的拉伸強度和模量比較高，斷裂伸長小，具有較好的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，且織物受外力后抗變形能力強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時孔徑均勻，孔隙尺寸易控制。涂層劑的選擇品種很多，它賦予涂層織物以不同的性能，比如有機硅可使涂層織物具有透濕性，同時又具有防水性；聚丙烯酸酯涂層劑則有良好的耐光熱性。所以應(yīng)根據(jù)涂層織物的應(yīng)用場合不同，選擇涂層劑。涂層織物在建筑中主要用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂?shù)取?/div>

　　（1）膜結(jié)構(gòu)建筑材料：涂層織物重量輕，易安裝、拆移，結(jié)構(gòu)輕巧美觀，經(jīng)久耐用，且具有一定的保溫性，是一種新興的建筑材料，具有傳統(tǒng)建筑材料不可比擬的優(yōu)越性。用涂層織物作膜結(jié)構(gòu)建筑材料，對于增強房屋功能，延長建筑物使用壽命具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。

　　（2）篷蓋布：早期的篷蓋布由于采用棉織物為基布，易老化，使用壽命短，不能適應(yīng)多功能的要求，化纖／合纖涂層織物具有更優(yōu)的特性，如滌長絲篷蓋布材料輕薄、軟質(zhì)、堅牢、防水、阻燃防霉，競爭優(yōu)勢明顯。

　�。�3）軟性屋頂：用涂層織物作建筑物的屋頂在國內(nèi)外已屢見不鮮。最早的軟性屋頂始于上世紀(jì)50年代末的德國，其后獲得快速發(fā)展，如：美國紐約世博會、沙特佳大赫海奇機場都大量使用了軟性屋頂。軟性屋頂一般分為兩種方式：一種為帳篷式，一種為充氣式。特別是充氣式屋頂（采用風(fēng)機充氣后密封，當(dāng)氣壓不足時可自動充氣），柔軟，流動性好，具有可變形的特點，且不用柱子支撐，對于抵抗強風(fēng)的破壞作用性能極佳。隨著織物生產(chǎn)工藝的發(fā)展，作為基布的織物強力提高，對擴大軟性屋項的應(yīng)用有很好的幫助。比如用高強滌綸布作軟性屋頂，其充氣房屋跨度為75m，如能提高織物的強力，它的跨度可達150m，面積顯著增大。

　　2.3纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)補強材料上的應(yīng)用纖維復(fù)合材料應(yīng)用于土木建筑工程中的結(jié)構(gòu)補強材料主要采用纖維片材修補、補強形式。所謂連續(xù)纖維片材修補、補強是指在現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)物的表面用樹脂粘合劑粘貼定向排列的連續(xù)纖維片材，通過其與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，達到對結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固及改善受力性能的一種結(jié)構(gòu)外部加固技術(shù)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)補強材料是鋼板，它自重大、施工不便且耐腐蝕性差、易老化�，F(xiàn)在土木建筑工程中結(jié)構(gòu)補強材料通常使用的纖維是碳纖維和芳綸。碳纖維適合鋼筋混疑土建筑物結(jié)構(gòu)變更、使用荷重增加、強度不足、抑制裂縫延長等的加固維修工程；芳綸柔韌性好，更適合纏繞修補、增強柱狀結(jié)構(gòu)等。連續(xù)纖維片材結(jié)構(gòu)補強材料與傳統(tǒng)的粘鋼板技術(shù)相比，其加固技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，表現(xiàn)為：

　　（1）高強高效：由于纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，可在對原結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響的情況下大大提高被加固構(gòu)件的抗彎、剪、扭、拉承載力和抗震性能；

　�。�2）施工方便、質(zhì)量和工效高：纖維質(zhì)輕性柔，可手工纏繞在混凝土表面而無須使用大型機具，也不需要焊接，無濕作業(yè)，噪聲及灰塵極��；

　　（3）防護、維護性能好：由于纖維復(fù)合材料往往具有很好的耐腐蝕及耐久性能，可抵抗各種酸、堿、鹽對結(jié)構(gòu)物的腐蝕。用該加固技術(shù)對結(jié)構(gòu)處理后，不僅不需要定期維護，而且對內(nèi)部混凝土起到了保護作用；

　�。�4）適用面廣：由于復(fù)合材料片材較柔軟，可用于各種結(jié)構(gòu)形狀和各種結(jié)構(gòu)類型建筑物的修補，達到不改變結(jié)構(gòu)形式又不影響結(jié)構(gòu)外觀的效果；

　�。�5）有利于實現(xiàn)智能化：如用碳纖維片材作加固材料，可根據(jù)加固修復(fù)部位導(dǎo)電性能的變化情況，實現(xiàn)對該部位的安全檢測與診斷。瑞士已成功運用纖維復(fù)合材料對損壞的跨長39m的伊巴赫橋進行加固，使其滿足了承載力的要求。日本也廣泛采用了這項技術(shù)對受損橋梁及建筑進行了加固，取得了明顯的經(jīng)濟效益。國內(nèi)湖南溆浦大江口橋、上海寶山飛云橋以及南京長江大橋引橋等，也都采用了環(huán)氧樹脂粘貼玻璃布形成玻璃鋼的方法進行補強加固。研究表明，用先進復(fù)合材料板代替鋼板加固混凝土梁可節(jié)約資金25％。

　　3結(jié)束語

　　建筑材料的發(fā)展在建筑中占有極其重要的地位，隨著紡織工藝技術(shù)的發(fā)展，纖維復(fù)合材料作為一類新興的先進材料，在建筑業(yè)中的應(yīng)用必將越來越廣泛。

　　用于結(jié)構(gòu)補強材料的纖維復(fù)合材料中常見的碳纖維、芳綸和玻璃纖維中，從各方面性能來看，碳纖維應(yīng)優(yōu)先采用。不論是碳纖維布，或是碳纖維索，在工程中應(yīng)用都是較合適的。而且，現(xiàn)階段碳1途徑和方式，不僅可用于建筑結(jié)構(gòu)或是橋梁結(jié)構(gòu)的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結(jié)構(gòu)加固。

　　雖然現(xiàn)階段利用碳纖維復(fù)合材料對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固已經(jīng)取得了極大的成就，但是由于碳纖維材料應(yīng)用時間較短，以及它與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間結(jié)合面的復(fù)雜性，使研究工作面臨許多困難。研究方法的單一，假設(shè)條件過多等原因都使研究的結(jié)果比較粗糙，與實際情況有很大差別，這也限制了碳纖維材料在更多的領(lǐng)域里充分發(fā)揮自身的優(yōu)越性能，這些問題都有待于進一步的探討。

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　　【雜志信息】：

　　《產(chǎn)業(yè)用紡織品》（月刊）創(chuàng)刊于1983年，由東華大學(xué);全國產(chǎn)業(yè)用紡織品科技情報站主辦。主要刊登國內(nèi)外各種產(chǎn)業(yè)用紡織品和非織造布的綜述；科研、生產(chǎn)技術(shù)報告；國內(nèi)外有關(guān)新產(chǎn)品、新材料、新技術(shù)、新設(shè)備報導(dǎo)；有關(guān)專利、標(biāo)準(zhǔn)和測試方法介紹；國內(nèi)外有關(guān)動態(tài)、市場信息和新聞簡訊。為中文核心期刊(2008)；中文核心期刊(2004)；中文核心期刊(1996)。