纤维增强复合材料在建筑工程中的应用

2020-02-19臧德厚

建材与装饰 2020年11期

臧德厚

（山东中烟工业公司颐中（烟草）集团有限公司山东青岛 266000）

钢筋和混凝土作为建筑工程传统施工材料，展示出了其优异的力学性能，保证了国民建筑工程质量。随着科技的发展和新材料的出现，纤维增强复合材料逐渐由航空领域推广应用到建筑领域。该种材料不仅降低了建筑工程造价，还大幅提高了工程质量，推动了我国建筑行业的快速发展。

1 纤维增强复合材料优势

传统的钢筋混凝土结构，在受到温度、湿度、氯离子等因素影响时，由于混凝土呈碱性，导致其逐渐被中性化，从而使得钢筋失去保护受到腐蚀，降低了建筑工程结构寿命和耐久性。国内外学者对钢筋混凝土结构的腐蚀机理进行研究，提出了一些技术措施以降低其腐蚀程度，如采用钢筋阻锈剂、电镀钢筋保护膜、钢筋表面进行环氧涂层等。随着纤维增强复合材料的广泛应用，对建筑工程产生重要影响。

碳纤维在常温下有良好的稳定性，耐酸、耐碱和耐有机溶剂，同时其具有耐老化、抗辐射和耐潮湿等优良特性。因此通过采用碳纤维增强聚合筋替代钢筋具有很多优势，比如耐腐蚀性能好，疲劳性能好。

碳纤维材料质量轻，具有良好的抗疲劳性能，在施工过程中可以不用大型机械吊装设备，不仅施工步骤简单，还可以缩短工时，施工操作简便易行。

复合材料成型工艺具有很强的可设计性，对于复杂结构，通过热压罐工艺可实现高精度一次成型，为建筑设计和创作提供了更具有想象力的空间。例如，拱型、球面型、双曲面型等构件或整体组装结构等。

2 工程应用

2.1 岩土工程

岩土工程施工过程中，一般面临复杂地质体，常会出现坍塌、地面沉降、滑坡等地质灾害，需要构造防护墙、支护网、锚固工程等保护措施。传统的钢质锚杆由于地下水对钢锚杆产生严重腐蚀使得锚固工程质量耐久性下降。碳纤维增强聚合筋具有良好的耐腐蚀性能，在进行岩土工程锚固时可以广泛使用。

2.2 桥梁工程

桥梁大多为受弯构件，主要承受弯矩和剪力，较少承受轴力。由于纤维增强聚合筋比钢筋抗拉强度高，可以将纤维增强聚合筋布置在桥梁截面受拉区域，使得纤维的抗拉性能充分体现。

但需要注意的是，由于碳纤维属于脆性材料，其延性差，不适用于对抗震等级要求高的桥梁结构中。

2.3 海洋工程

海洋工程结构对材料抗海水腐蚀性能要求较高，采用钢筋材料施工的海洋工程结构耐久性低。可以采用碳纤维增强聚合筋取代钢筋，以解决海洋工程结构耐久性问题，延长工程使用寿命。

2.4 加固工程

混凝土结构在地震、海啸等自然灾害后，需进行检测和加固，以满足设计规范对结构强度和耐久性的要求，并延长其使用年限。传统的补强材料一般为钢板，不仅自重大且易被腐蚀。纤维增强复合材料具有良好的抗拉强度和耐久性，可以通过粘贴碳纤维增强聚合布等工艺进行加固。

2.5 寒冷、潮湿环境工程

在寒冷、潮湿环境中，钢筋混凝土等结构建成后的维护费用较高，一般对于该类地区拟建项目，在保证工程质量的前提下，需要面对如何缩短建设周期、减少维护费用等技术问题。有些工程项目通过采用纤维增强复合材料聚合物筋混凝土结构取代钢筋混凝土结构，实现降低维护成本。

2.6 空间结构工程

网架或网壳等结构中采用轻质高强、耐腐蚀的材料已经成为一种趋势。英国建造了几处网架结构，有的是尝试性地用玻璃纤维增强聚合物杆件代替部分钢构，有的是使用玻璃纤维增强聚合板作为受力或部分受力构件，但是由于玻璃纤维增强聚合物本身材料的限制，如弹性模量低、节点难处理等因素，导致复合材料在网格结构中的优势不能体现，所以在此结构应用方面发展缓慢。

随着生产技术的成熟，设计方案的优化，日本开发研制成功一种带有铝合金接头碳纤维增强聚合卷管。用于网架的碳纤维增强聚合杆件是由碳纤维增强聚合片材以不同的角度层叠粘贴而成。建造完成后，通过对比发现碳纤维增强聚合网架结构重量仅为钢网架的1/5～1/4，相比钢网架维护费用低，维护费用是钢网架的1/5。现在采用纤维增强聚合薄板条的新型大跨空间结构体系，利用纤维增强复合材料增强结构的整体性，使整个结构具备足够的几何刚度，因为采用类似编竹席编织方法使纤维增强复合材料的抗拉强度得到发挥，而且可以获得特殊的建筑效果，是一种高效的结构体系。

2.7 模板工程

复合材料模板是在原有塑料模板的基础上不断进行创新改进，可以提高房屋建筑工程混凝土的施工质量，降低工程成本、缩短工期以及提升现场安全文明。

3 纤维增强复合材料组合结构

纤维增强复合材料筋中纤维占比较高，比传统的钢筋材料强度更高，可通过施加预应力提高其与混凝土的粘结程度。通过纤维增强复合材料与混凝土或木材的组合，形成多种结构类型，性能优异，应用范围也比较广泛。

3.1 纤维增强复合材料管-混凝土

对纤维增强复合材料管内填充混凝土形成组合结构，既可以实现对混凝土的约束，还能提高整体施工速率，并具有耐用性强、持久性好等优点，既可以用于作桩、柱，也能够作梁，提高了整体建筑结构的安全稳定性，提高了其负载能力，并有效降低了自身重量。

3.2 纤维增强复合材料-铝合金组合构件

将纤维增强复合材料设计在铝合金管的外表面，充分弥补纤维增强复合材料脆性且不易连接的缺点，实现轻质、耐腐蚀的优良特性，该类结构广泛应用于大跨度空间结构中。

3.3 纤维增强复合材料-木组合构件

将纤维增强复合材料和木材进行合理结合，充分利用自身受力特点，提高抗火等级，相对于传统结构件质量更轻，耐腐蚀性更好，与全纤维增强复合材料构件相比负载耐受能力更强，成本支出较低，因此应用前景也更大。

4 推广应用瓶颈

纤维增强复合材料最初广泛应用于军工领域，近几年才拓展应用于建筑行业，作为一种新型的轻质材料，其生产工艺仍处于发展阶段，制造过程复杂，成本投入高，尤其在未实现规模化生产的试制阶段，需要投入更高的成本才能最终定型生产，限制了其更为广泛的应用。

纤维增强复合材料出现报废或寿命终结后，不能有效回收，其回收成本较高，也阻碍了其应用的推广。

纤维增强复合材料在建筑行业的损伤检测技术及评价机制尚未形成标准。复合材料作为先进材料，其自身强度、刚度、疲劳寿命及损伤程度等决定了建筑工程的施工质量，在施工过程中，如果不能及时有效地对复合材料构件进行检测探伤，那么将很难保证建筑施工质量。我国建筑行业标准目前缺乏对纤维增强复合材料构件等的建筑结构安全评估方法、标准及配套的完整修复规范，这也是限制该种材料进一步广泛应用的瓶颈。

现常用的纤维增强复合材料锚具需专门在制作工厂里定制生产，质量不稳定而且投资较高，还需要深入对纤维增强复合材料的预应力锚具进行研究。现代结构工程基本理论与设计方法中一般要求进行延性设计，针对脆性破坏的聚合筋混凝土结构设计中的延性问题目前还没有明确的、可控制结构设计的延性指标。对纤维增强复合材料混凝土构件的力学性能、延性研究缺少系统性，也限制了其进一步的推广应用。