侯劍飛

(北京華宏工程咨詢有限公司，北京100000)

建筑工業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)之一.社會的進步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)展方向之一便是可持續(xù).因此，改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料就是建筑工業(yè)現(xiàn)代化的一個重要發(fā)展方向.

隨著軍工生產與航空航天而發(fā)展起來的纖維復合材料，由于具有良好而獨特的性能，適應了現(xiàn)代工程結構向大跨度、高聳、重載、高強和輕質方向的發(fā)展，在土木建筑工程中的應用日益擴大.纖維復合材料在建筑領域的應用主要分為兩類:一類是剛性復合材料構件，如梁、柱、骨架結構等;另一類則是柔性復合材料構件，如體育館、停車場和車站的屋頂、野營帳篷等膜構件材料.纖維復合材料替代傳統(tǒng)建筑材料應用于土木建筑工程，為土木建筑業(yè)解決一些技術難題如能耗大、不利于環(huán)境保護等提供了新的途徑.

1 土木建筑工程中纖維復合材料的特點

土木建筑工程中纖維復合材料有如下幾方面特點.

(1)材料性能的可設計性:纖維復合材料作為結構材料應用時，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，且可根據結構需要進行設計，以滿足單一材料無法達到的性能要求.

(2)高的比強度和比剛度:一些纖維復合材料，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，因此纖維復合材料是一類輕質高強建筑材料.

(3)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.

(4)良好的抗化學反應和化學腐蝕性: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物質發(fā)生反應，使土木工程不能發(fā)揮應有的作用而引起巨大的損失.而大部分纖維復合材料是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制作的設備或構件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學介質侵蝕的能力.

(5)良好的抗震性能:纖維復合材料相對傳統(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.

(6)過載安全性好:在纖維復合材料中，由于有大量獨立的纖維，當過載時復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件在瞬間喪失承載能力而斷裂.

(7)高美學欣賞性:纖維復合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達到結構型式和材料美學的高度統(tǒng)一.

(8)結構功能/智能化:在土木建筑工程中應用智能纖維材料，還可以使結構具有一定的智能功能.例如美國人在建筑物中使用智能復合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產生形狀和張力的變化，從而根據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，使框架結構的壽命大大延長，達到了建筑物結構噪聲與振動的主動控制.

2 纖維復合材料在建筑行業(yè)中的應用

2.1 纖維材料增強混凝土的應用

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品.纖維混凝土是在對混凝土的創(chuàng)新過程中應運而生的一種產品，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構、體積含量等都決定著混凝土的性能.鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應用有限;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，導電導磁，能耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結良好，但碳纖維因為導電導磁有些建筑不能應用，且碳纖維成本較高;芳綸輕質高強，柔韌性好，力學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、磁場產生干擾，但芳綸價格也高.新型纖維增強混凝土的應用逐漸增多.

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

2.2 纖維復合材料的涂層織物在建筑材料方面的應用

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合材料.作為底布的織物起著骨架的作用，承擔著復合材料的抗張強力、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，具有較好的應力—應變關系，且織物受外力后抗變形能力強，結構穩(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.所以應根據涂層織物的應用場合不同，選擇涂層劑.涂層織物在建筑中主要用作膜結構建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂等.

2.3 纖維復合材料在結構補強材料上的應用

纖維復合材料應用于土木建筑工程中的結構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)有混凝土結構物的表面用樹脂粘合劑粘貼定向排列的連續(xù)纖維片材，通過其與結構或構件的協(xié)同工作，達到對結構構件補強加固及改善受力性能的一種結構外部加固技術.傳統(tǒng)的結構補強材料是鋼板，它自重大、施工不便且耐腐蝕性差、易老化.現(xiàn)在土木建筑工程中結構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構變更、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、增強柱狀結構等.連續(xù)纖維片材結構補強材料與傳統(tǒng)的粘鋼板技術相比，其加固技術具有明顯的技術優(yōu)勢，表現(xiàn)為:

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

(2)施工方便、質量和工效高:纖維質輕性柔，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)，噪聲及灰塵極小;

(3)防護、維護性能好:由于纖維復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、鹽對結構物的腐蝕.用該加固技術對結構處理后，不僅不需要定期維護，而且對內部混凝土起到了保護作用;

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

(5)有利于實現(xiàn)智能化:如用碳纖維片材作加固材料，可根據加固修復部位導電性能的變化情況，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對受損橋梁及建筑進行了加固，取得了明顯的經濟效益.國內湖南溆浦大江口橋、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，用先進復合材料板代替鋼板加固混凝土梁可節(jié)約資金25%.

3 結束語

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

用于結構補強材料的纖維復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，碳纖維應優(yōu)先采用.不論是碳纖維布，或是碳纖維索，在工程中應用都是較合適的.而且，現(xiàn)階段碳纖維增強材料應用于混凝土結構加固是最合適的途徑和方式，不僅可用于建筑結構或是橋梁結構的承載力加固，也可用于抗震加固，也可用于人防工程的結構加固.

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［2］鄧炳耀，晏雄.紡織結構復合材料的設計與應用［J］.紡織導報，2005(9):35～39

［3］王騰，郭燕坤.纖維復合材料在土木建筑工程中的應用進展［J］.紡織科技進展，2006(2):14～16