淺談纖維增強復合材料在土木工程中的應用

摘 要：纖維增強復合材料是以纖維為增強材料的樹脂基復合材料，可分為纖維增強聚合物布、網、板、筋。纖維采用玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等高彈模人造纖維。纖維增強復合材料受到纖維性能、產品形式不同的影響，其應用情況也各具特點，故研究纖維增強復合材料在土木工程中的應用具有現實意義。

關鍵詞：纖維增強復合材料；土木工程；應用

纖維增強復合材料最早于20世紀80年代由日本首先開發，近20年發展很快，其應用可分為三類：一是獨立地建造輕型結構，如過街天橋、具有特殊要求的建筑物；第二種是用于混凝土結構的修補加固，特別是梁、板的彎拉加固，梁、柱的抗剪加固以及柱子的抗震加固，具有施工簡便、避免噪聲和粉塵污染、不破壞結構外形、不增加結構自重的優點；第三種是作為筋材和網材代替鋼筋，建造混凝土和預應力混凝土結構，開創混凝土結構新體系，故研究纖維增強復合材料在土木工程中的應用具有現實意義。

一、纖維增強復合材料的概念

纖維增強復合材料由增強材料和基體材料組成，高性能纖維為增強材料，合成樹脂為基體材料。纖維具有很高的抗拉強度，是纖維增強復合材料強度的主要提供者，主要起承受荷載作用，分有機纖維和無機纖維兩種，有機纖維主要包括芳綸纖維、混雜纖維；無機纖維主要品種有玻璃纖維、石英玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等。基材有粘結、傳遞剪力的作用，其物理性質可以影響纖維增強復合材料的物理性質。纖維增強復合材料中常用的基材包括不飽和聚酷樹脂、乙烯基醋樹脂、環氧樹脂、聚酞胺樹脂等。目前，工程中采用的纖維增強復合材料主要有玻璃纖維增強復合材料、鋼纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料、芳綸纖維增強復合材料和混雜纖維增強復合材料等。纖維增強復合材料根據產品形式分為纖維增強聚合物筋，纖維增強聚合布、纖維增強聚合格柵等。根據連續纖維的類型、基體材料的性質、所摻入輔助劑的性能、纖維含量和纖維的截面形式等因素確定纖維增強復合材料的物理力學性能。

二、纖維增強復合材料中纖維材料的特性分析

1. 碳纖維材料的特性分析。碳纖維增強復合材料按原絲種類可分為瀝青基碳纖維復合材料、聚丙烯睛基碳纖維復合材料、聚丙烯基碳纖維復合材料。碳纖維具有很高的模量和強度，這種特點與其自身的結構有直接關系，碳纖維的結構與石墨晶體相似。碳纖維的結構屬于亂層石墨結構，化學穩定性好。碳纖維有以下兩種化學性能：氧化性，碳纖維在溫度高于400℃時，發生明顯的氧化反應，故在空氣中碳纖維的耐熱性能要弱于玻璃纖維。高模量碳纖維的抗氧化性在使用30%磷酸處理后，可得到明顯的提高；耐腐蝕性，碳纖維在常溫下有良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕，與玻璃纖維相比耐腐蝕性較好。碳纖維增強復合材料具有耐老化、抗輻射、耐水等特性。

2. 芳綸纖維材料特性分析。高彈模纖維主要有PBO纖維、聚乙烯纖維，聚乙烯醇纖維和芳綸纖維，其中芳綸纖維的商業化程度比較高，應用比較廣泛。芳綸纖維分為對位芳香族聚酞胺纖維和間位芳香族聚酞胺纖維兩類。其中對位芳香族纖維因其高強度、高模量而被用于復合材料中，主要應用領域為于橡膠、人造皮革、增強聚合物制品，例如繩索、電纜以及防彈物品。在我國芳綸纖維主要應用于國防軍工、造船、航空航天等特殊領域，如飛機中的高壓氣瓶、玻璃鋼、火箭發動機外殼等。

3. 玻璃纖維材料特性分析。玻璃纖維增強復合材料是由玻璃纖維和基體組成。玻璃纖維的強度損失分為可逆和不可逆兩部分。玻璃纖維浸泡在水中后，一部分的強度損失是由于水對玻璃纖維的物理作用引起的，但是此過程是可逆的，經過干燥后，損失的強度可恢復，而另一部分是因為水與玻璃纖維發生化學反應引起的，此過程是不可逆的，不能恢復。一般來說，玻璃是一種良好的耐腐蝕材料，其耐腐蝕性能力的大小與其含堿量有關，含堿量越大，玻璃纖維的耐久強度越差。

三、纖維增強聚合物筋在土木工程中的應用

1. 纖維增強聚合物筋在巖土工程中的應用。巖土工程所面臨的是復雜的地質體。在巖土工程開挖和施工中，經常會出現坍落、地面沉降、塌陷、滑坡等地質災害。工程上常采用一些保護措施來防止此類地質災害發生， 如將錨桿埋入巖體，來提高巖土的自身強度和自穩能力，其所起作用的實質就是錨固。錨固工程中使用的錨桿，由三部分組成：錨固體、拉桿及錨頭，其中拉桿是錨固系統重要的部件之一，錨頭的拉力通過拉桿傳遞給錨固體，在工程中常采用抗拉強度高的鋼鉸線作為錨桿。但是由于地卜水和地層的水化和電學等對鋼錨桿的腐蝕會使錨固工程失效破壞，嚴重的可導致重大的安全事故。纖維增強聚合筋耐腐蝕性強的優勢，可以使用纖維增強聚合筋作為拉桿來進行巖土加固。纖維增強聚合筋材料中的碳纖維增強聚合和芳綸纖維增強聚合筋具有抗拉強度高和在不同施工環境中抗侵蝕能力強的優點，在進行巖土工程錨固時可以使用碳纖維增強聚合筋和芳綸纖維增強聚合筋作為拉桿應用于巖土錨桿。

2. 纖維增強聚合筋在橋梁中的應用。纖維增強聚合筋都可用在受彎構件中，但由于其耐火性較差，本文不建議將其用于室內環境的梁或板的結構中。橋梁比較適合使用纖維增強聚合筋。橋梁屬于受彎構件，主要承受彎矩、剪力，在有些時候還承受軸力的作用。纖維增強聚合筋比普通鋼筋抗拉強度高，可以將其取代鋼筋布置在橋梁截面的受拉區，充分發揮復合筋的較高的抗拉能力的優勢。如人行天橋建設都采用纖維增強聚合筋一混凝土結構，因為纖維增強聚合筋質量輕，強度高，可以在人行天橋中的梁采用纖維增強聚合筋蜂窩夾心組合箱梁，達到減輕天橋自重輕，滿足使用安全性的目的。纖維增強聚合筋在橋梁中的應用方法如下：計算橋梁結構在豎向荷載作用下產生的彎矩；選擇截面的尺寸、受壓鋼筋直徑、級別、混凝土的等級、纖維增強聚合筋的強度 ，以確定受拉纖維增強聚合筋的截面面積；再根據所計算的纖維增強聚合筋面積確定直徑、根數；再根據混凝土結構計算理論設計其它承載力。

四、結語

綜上，本文對纖維增強聚合物筋在土木工程中的應用范圍和應用方法進行了研究，纖維增強聚合物筋可以代替鋼筋應用到巖土工程、橋梁工程中。采用纖維增強聚合物筋錨桿作為鋼錨桿的代替品，其比普通的鋼錨桿拉伸強度高，有更好的拉伸應力，能有效地穩定巖體，可以應用于土釘墻支護、擋土墻加固工程中。纖維增強聚合物筋錨桿具有很多優點，但是采用纖維增強聚合筋錨桿錨固時需要定制專門的錨具，增加了成本投入，延長施工工期，所以限制了其在巖土工程中廣泛應用。

參考文獻：

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