东纶科技纤维复合材料在土木建筑工程中的应用

  摘要：针对土木和建筑工程的发展趋势，探讨纤维复合材料在土木和建筑工程中应用的优势。介绍了国内外纤维复合材料在土木和建巩A-A-J- 中应用的进展。

  建筑工业在国民经济中占有很重要的地位，不论是哪一个国家建筑工业都是国民经济的支柱产业之一。随着社会的进步，人们对居住面积、房屋质量和娱乐设施等提出越来越高的要求，已成为推动建筑工业改革发展的动力。建筑工业现代化的发展方向是：改善施工条件、加快建设进度、降低成本、提高质量、节约能源、减少运输、保护耕地、保护环境和提高技术经济效益等。为了达到此目的，必须改善现有的建筑材料和发展新型建筑材料?。

  随着军工生产与航空航天而发展起来的纤维复合材料，由于具有良好而独特的性能，适应了现代工程结构向大跨度、高耸、重载、高强和轻质方向的发展，在土木建筑工程中的应用日益扩大。纤维复合材料在建筑领域的应用主要分为两类：一类是刚性复合材料构件，如粱、柱、骨架结构等;另一类则是柔性复合材料构件，如体育馆、停车场和车站的屋顶、野营帐篷等膜构件材料 J。纤维复合材料替代传统建筑材料应用于土木建筑工程，既为纺织行业开辟了新的发展领域，注入了新的活力，同时也为土木建筑业解决一些技术难题如能耗大、不利于环境保护等提供了新的途径。

  本文阐述纤维复合材料在土木建筑工程中的特点极其应用等，为纺织品在该类行业的推广提供参考。

  1、土木建筑工程中纤维复合材料的特点土木建筑工程中纤维复合材料有如下几方面特点。

  (1)材料性能的可设计性：纤维复合材料作为结构材料应用时，由于其是基体材料和增强材料等组分材料的组合，既可保持原组分材料的某些特点，又能发挥组合后的新特性，且可根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求。

  (2)高的比强度和比刚度：一些纤维复合材料如碳纤维T300/环氧树脂5208的比强度是铝材的6.3倍、钢材的5倍，比刚度为铝材的4。16倍，因此纤维复合材料是一类轻质高强建筑材料。

  (3)抗疲劳性能好：一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40% ～50% ，而某些纤维复合材料的疲劳强度可达其拉伸强度的70% ～80% ，具有良好的抗疲劳性能。

  (4)良好的抗化学反应和化学腐蚀性：传统建筑材料如钢筋等不耐腐蚀，尤其在近海工程中，较易与工程周围的空气、海水以及污水中的化学物质发生反应，使土木工程不能发挥应有的作用而引起巨大的损失。而大部分纤维复合材料是优良的耐腐蚀材料，用其制作的设备或构件一般具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。

  (5)良好的抗震性能：纤维复合材料相对传统建筑材料自振频率甚高，不易出现共振，且在通常加载速度和频率条件下不容易出现因共振而快速脆断的现象;同时因为其存在大量的界面，振动阻尼性也很大，一旦激起振动，衰减也快。

  (6)过载安全性好：在纤维复合材料中，由于有大量独立的纤维，当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂，载荷都会迅速重新分配到未被损坏的纤维上，不至于造成土木建筑工程中的构件在瞬间丧失承载能力而断裂。

  (7)高美学欣赏性：纤维复合材料组分中的材料纤维是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构型式和材料美学的高度统一。

  (8)结构功能/智能化：在土木建筑工程中应用智能纤维材料，还可以使结构具有一定的智能功能。例如美国人在建筑物中使用智能复合材料制作的梁，在热电控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长，达到了建筑物结构噪声与振动的主动控制 J。

  2.1 纤维材料增强混凝土的应用在建筑业中，混凝土是一种不可或缺的材料，它的用量也较大，一般多以钢筋来增强，但由于钢筋本身易受酸碱作用产生腐蚀，从而对混凝土造成破坏，因此有必要寻求新的混凝土产品。

  纤维混凝土是在对混凝土的创新过程中应运而生的一种产品，最早使用的多为钢纤维、玻璃纤维和维纶增强混凝土。目前使用的较为新型的有碳纤维、芳纶和丙纶混凝土。在纤维增强混凝土中，纤维用来充当增强材料，纤维的本身性能如强度、模量、断裂长度等和纤维在此中的空间结构、体积含量等都决定着混凝土的性能。纤维增强混凝土分为短纤维增强混凝土和长纤维增强混凝土。

  短纤维增强混凝土中的纤维一般切成几毫米至几十毫米长度，随机掺人砂浆基材之中，可以替代或部分替代钢筋。与传统混凝土相比，它的拉伸强度和抗弯强度大，防裂性能好，多用于内外装饰板材和部件。长纤维增强混凝土多采用连续碳纤维、芳纶等制成棒状、网状或三维异型织物，用环氧树脂或乙烯酯树脂制成纤维增强塑料骨架，以替代钢筋构成新型复合混凝土材料，常用作墙板、护墙板和主体建筑物。一般来说，长纤维增强混凝土的性能优于短纤维增强混凝土。

  2.1.1 常用各种不同类型纤维混凝土的特点传统的混凝土结构随着时间的推移，其腐蚀、劣化问题不断发生，其中以钢材锈蚀最为常见。这不仅影响到工程结构的正常使用和寿命，还会产生工程安全事故及隐患。钢纤维由于成本高，易腐蚀，应用有限;玻璃纤维的拉伸强度高于钢筋，其重量只有钢筋的四分之一，受水泥和海水的侵蚀远远低于钢筋，但玻璃纤维易折断，不耐碱，应用有污染;丙纶加工工艺简单，价格低廉，性能优异，丙纶增强混凝土很好地解决了建筑生产中出现的问题，避免和减少了钢材锈蚀事故的发生，近年来得到推广应用。碳纤维具有低密度、高强度、高硬度的多种特点，抗拉强度和弹性模量高，导电导磁，能耐恶劣环境，耐磨损，耐高温，与混凝土粘结良好，但碳纤维因为导电导磁有些建筑不能应用，且碳纤维成本较高;芳纶轻质高强，柔韧性好，力学性能介于碳纤维和玻璃纤维之间，而且是电场、磁场的绝缘体，不会对电场、磁场产生干扰，但芳纶价格也高。新型纤维增强混凝土的应用逐渐增多。

  2.1.2 功能、智能纤维混凝土随着社会和科技的发展，混凝土材料不仅要承受荷载，还要适应多功能和智能建筑的需求。纤维复合材料应用于功能/智能混凝土主要有：屏蔽磁场水泥基复合材料、水泥基屏蔽电磁波复合材料、应变自感应混凝土、温差水泥基复合材料、自修复混凝土、导电水泥混凝土等。

  (1)屏蔽磁场水泥基复合材料：为了使路面和建筑物具有屏蔽磁场的功能，一般采用在混凝土中加入别针形的钢纤维来达到屏蔽作用。研究结果表明，在混凝土中掺人5% (体积)的钢质别针即可获得较好的屏蔽磁场效果。

  (2)水泥基屏蔽电磁波复合材料：这种纤维水泥复合材料是在水泥基中加入纤维(如碳、铝、钢等)来获得屏蔽电磁波的功能。日本学者采用纤维毡作为吸附电磁波的功能组分，制作了轻质兼有防震功能且对电磁波吸收可达90% 以上的幕墙。

  此外，文献表明该类型纤维复合材料不仅有屏蔽电磁波的功能，还能用于近年发展起来的智能交通系统导航。

  (3)应变自感应混凝土：该类型纤维混凝土是将碳纤维等物质均匀分散掺入到水泥基材中，使其具有自感知其内部的应力、应变和损伤程度的功能。如美国学者将短切碳纤维掺入混凝土材料中，使其可以敏感有效地监测拉、弯、压等各种状态下材料的内部情况。

  (4)温差水泥基复合材料：该材料的制备机理是将切短的碳纤维适量掺入混凝土材料中使其具有热电效应，利用这种混凝土材料能实时监测建筑物内外和路面表层、底层的温度变化以及为建筑物提供电能。

  (5)自修复混凝土：该混凝土将含有粘结剂溶液的玻璃空心纤维混入混凝土，混凝土材料在外力作用下发生开裂后，玻璃空心纤维就会破裂而释放粘结剂，粘结剂流向开裂处，使之重新粘结起来，达到愈伤的效果。此外，美国还根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试制备仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸钙水泥(含有单聚物)为基体材料，其中加入多孑L的编织纤维网，利用多孑L纤维在水泥水化和硬化过程中释放出聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，聚合反应留下的水分参与水泥水化，使纤维网的表面形成大量互相穿插粘结的有机及无机物质，制成类似动物骨骼结构的无机有机相结合的复合材料。同时当混凝土发生损伤时，多孑L有机纤维会释放聚合反应引发剂，与单聚物聚合成高聚物，使损伤愈合。

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