复合材料在土木工程中的发展与应用覃勇

复合材料在土木工程中的发展与应用覃勇

覃勇

广西华拓建设工程有限公司

摘要：随着社会经济的快速发展，我国产业结构不断调整和优化，现代城市的建设力度不断加大，因此全国范围内兴起了很多土木工程。为了有效的降低工程成本，提高资源利用率以及工程效益，新的技术和材料不断被应用于土木工程建设中。就当前土木工程建设中的材料应用而言，主要以复合材料这种新型材料为主。因此，本文就复合材料在土木工程中的发展和应用进行简要的论述。

关键词：复合材料；土木工程；发展应用

引言：复合材料又称FRP，全称为纤维增强复合材料，是一种新型的结构材料，是由碳纤维、玻璃纤维、芳纶、玄武岩纤维等高性能纤维与树脂机体混合，经过一定的加工工艺而复合，最终形成的一种新型结构材料。复合纤维具有很多良好的性能，如轻质、高强、施工成型方便、耐腐蚀等。在土木工程建设中运用复合纤维能够对传统的建筑材料钢筋和混凝土进行有效的补充，从而有效的提升土木工程的质量，降低建筑成本，达到资源的高效节能利用，因此，复合纤维已经成为土木工程发展的重要方向。

1、复合材料在土木工程中的作用

随着科学技术的不断发展，复合材料已经在工业生产中的多个领域得到了应用，汽车工业中汽车车身的制作工艺离不开复合材料的支持。人们日常生活中经常接触的复印机和打印机，也对这一材料进行了一定程度的应用。在对这一材料在土木工程施工项目中的应用问题进行探究之前，我们首先需要对这一材料在土木工程中所表现出来的作用进行探究。从这一技术在土木工程中的应用现状来看，结构加固补强作用，是这一材料在土木工程施工领域所发挥出来的主要作用[1]。在笔者看来，这种结构加固补强作用主要指的是对土木工程项目自身的受力性能进行强化的一种有效方式。2008年四川汶川发生严重地震灾害以后，有关部门在灾后重建过程中就对这种复合材料进行了应用，从这一技术的应用效果来看，它对地震中受损的建筑物的加固修复工作起到了一定的促进作用。从土木建筑工程的发展现状来看，

2、复合材料的发展历程

上世纪五六十年代，人们开始了在民用建筑中应用复合材料的尝试，1961年英国斯梅西克一座教堂成功应用了玻璃纤维复合材料制作教堂尖顶，随后在复合材料在世界范围内被广泛应用[2]。复合材料的成功应用后，世界更多的学者加入了复合材料的研究中，极大的加速了复合材料的发展，而我国在上世纪八十年代才开始在结构工程中大量应用纤维增强复合材料。1972年，云南省用GFRP建成了一个直径达44米的雷达天线罩;1982年，北京密云建成世界上第一座FRP公路桥，桥梁跨径20.7米，是一座GFRP蜂窝箱梁型公路桥。随后FRP得到了快速发展，大规模的应用FRP，是从该材料用于土木工程结构加固开始。从美国北岭和日本阪神地震后的加固修复工作来看，复合材料加固优势凸显，其加固的经济性和安全性得到了土木界的广泛认可。

3、复合材料在土木工程中的主要应用

3.1复合材料筋索与混凝土结构

复合材料筋索在混凝土结构中的应用，是复合材料在土木工程中应用的主要表现。通过对这种筋索的应用效果进行探究，我们可以发现，这一材料在土木工程中所表现出来的耐腐蚀性，可以让其成为土木工程中传统钢筋的替代品[3]。这一材料的应用，对土木工程施工成本的降低，也会起到一定的促进作用。在我国东北地区及东部沿海地区，这一材料在土木工程中的应用，对工程的抗寒能力和抗盐蚀能力的提升，有着一定的促进作用。早在20世纪90年代，这一技术就开始在土木工程领域中得到了应用，在北京地区的人民大会堂加固改造工程和民族文化宫加固改造工程中，这种基于复合材料的混凝土结构就得到了应用。以民族文化宫加固改造工程为例，在改造修复技术应用过程中所使用的赛柏斯结晶防水混凝土和预制多功能吸声板等材料的应用，就是复合材料在土木工程中应用的一种表现。从这一材料的应用现状来看，建立在这一结构的技术上的复合材料、混凝土、钢管组合构建技术，是土木工程建筑材料的利用率进行提升的有效方式。

3.2全复合材料结构

在对复合性材料的力学性质进行探究以后，我们可以发现，强度高是这一材料在力学领域所表现出的一种主要特点。从这一材料在实际应用中所表现出来的特点来看，耐腐蚀性和可设计性是这种材料所表现出的一种主要特点。从这一材料在土木工程中的表现来看，全复合材料结构在土木工程领域中的桥梁工程中有着较为普遍的应用。例如复合材料桥梁的快速架设技术的出现，就可以被看作是将全复合材料结构应用于土木工程的一种表现。在人们的日常生活中，在地震、火灾、洪涝灾害(泥石流)或台风(飓风)灾害发生以后，这一技术会在灾害救援工作的开展过程中得到应用。在战争环境或军事演习项目中，工程兵部队所进行的桥梁架设作业，也可以被看做是桥梁应急快速架设措施的一种表现。不论是在灾害环境下还是在战争环境下，桥梁的应急架设工作都会对桥梁机动性和标准化问题提出较为严格的要求。由于复合材料在日常生活中具有轻量化的特点，这就使得这种材料的应用问题引起了一些学者的关注。从这一技术的应用情况来看，服务于军事领域，是这一技术的研究工作所表现出的主要特点。从这一技术的应用前景来看，随着一些军事领域的新型科研成果的问世，军队中的工程兵部队在实战环境下的桥梁架设能力会得到有效提升。

3.3工程结构的加固补强

利用各种方法将复合材料附着在受力构件表面，已达到增强原有构件的受力性能。常见的混凝土加固方式有三种:第一种，用FRP布对混凝土结构进行缠绕加固，最具代表的缠绕加固就是对混凝土柱的缠绕加固，此种对柱加固方法成效明显，是基于约束混凝土的受力变形提升结构强度原理，在增强轴向受力的同时还能增强结构的抗剪、抗震能力。第二种，在混凝土梁或板以及桥梁跨度内的受拉面贴用FRP片材。此种加固补强在我国极为常见，特别是在老旧建筑改造加固、桥梁承载修复、震后房屋损伤修复方面应用广泛，贴面加固补强可有效提升构件的抗弯能力，防止结构裂缝的延伸。实践证明在超载下常发生结构和贴片剥离现象，FRP片材与原结构的贴合还有待进一步提高。第三种，对混凝土柱或梁应用FRP片材包裹然后外部应用FRP布进行环绕加固补强，此加固方法实质上是前两种方法的复合运用，加固效果最好，能有效提升结构的抗压和抗剪能力，但此方法FRP用量较大。

3.4FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构

FRP筋，质量轻，其纤维量占比达60%-65%，同样体积的FRP筋与钢筋相比，重量约为钢筋的五分之一，但其受力强度却约为普通钢筋的六倍。因此，FRP索常被用作斜拉桥或悬索桥的缆索，其抗振动、抗疲劳的能力远超传统的钢束，且施工容易，后续维保经济、便捷。利用FRP筋代替钢筋做成预应力FRP筋混凝土，不但能减轻自重、增加强度，还能抵抗混凝土碱性环境对筋条的腐蚀，降低维保费用，延长建筑使用年限。同时FRP混凝土结构还具有非磁性的特征，能够为人类生产生活和科学研究提供一个无磁性建筑空间。

3.5FRP组合式结构

将不同种类或不同形式的FRP制品进行组合应用，或将FRP与传统钢材、混凝土、木材等材料进行特意组合应用，实现了材料之间的优势互补，在增强力学性能的同时，还能节约成本，有助于建筑造型的多样化，延长建筑使用年限。目前应用技术比较成熟的有FRP-混凝土组合梁，FRP管混凝土组合构件，FRP-木组合结构构件，FRP-钢管-混凝土组合结构，FRP-铝合金组合构件等。

3.6全FRP结构

FRP的高强轻质，耐腐绝缘等特性，使其在土木工程中具有十分独特的优势，全FRP结构在建筑中应用较多，因其具有极强的可设计性和加工性，全FRP结构常具有新颖的造型。常见的全FRP结构体系有:FRP轻质桥梁，FRP编制网结构，FRP杆件空间结构，快速架设应急FRP桥等。

总结：根据上文论述可以得知，随着土木工程行业的快速发展，钢材与混泥土用量相对比较大，其使用规模虽然已经有百年历史了，然而，由于现代土木工程建筑行业的环境相对比较复杂，其有些方面仍然无法满足土木工工程建筑的相关需求。FRP作为一种新型的复合型材料的出现，有效的缓解了传统建筑材料出现的一些弊端，在土木工程建筑应用较为广泛，具有更加广阔的发展前景。

参考文献：

[1]陈龙.试论复合材料在土木工程中的发展与应用[J].门窗，2018(03):226.

[2]王琛.复合材料在土木工程中的发展与应用[J].建材与装饰，2018(06):77.

[3]董皓.复合材料在土木工程中的发展与应用初探[J].江西建材，2017(06):118.