土木工程中復合材料的發展及其應用

劉敏

摘 要：復合材料屬于纖維性材料，應用于土木工程建設中，體現出獨到的優勢，提高了土木工程施工質量，而且也能節省成本，達到節能環保施工目標。本文首先分析了復合材料的發展歷程，然后，分析了其在土木工程中的應用。

關鍵詞：土木工程；復合材料；發展；應用

隨著現代工程技術的發展，復合材料在土木工程建設中得到了應用，并已經逐漸成為一項成熟的技術，目前，整個世界都已經編制了成熟的技術規范和規程，各類復合材料，例如：玻璃纖維、碳纖維等得到了普及、發展和應用，事實證明應用的優勢效果十分明顯。

一、復合材料的發展概況

復合材料主要指的是纖維增強材料。其主體成分為纖維，具體包括：玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸、樹脂等，各類材料按照科學的比例調配在一起，利用特定工藝逐步形成全新的結構材料。該材料已經被應用到土木工程的各個領域，也對應出現了各種新型結構。

總的來看，復合材料在實際應用中體現出：質地輕、強度高、可塑性強、便于施工、抗腐蝕等特性。將其應用在建筑鋼混結構中，能夠有效發揮其優勢功效。

自20世紀50年代開始，復合材料就已經率先用在一些工民建工程中，該材料在土木工程中的應用最早起源于西方發達國家，例如：早在1970年，英國教堂的園頂構造就應用了復合材料，形成了美觀、牢固的教堂頂端構造。隨著該技術的不斷發展，也被世界其他國家的土木工程建設所應用，例如：建筑跨度結構、橋梁橋面工程、建筑構件等，事實證明取得了良好效果。

二、土木工程中復合材料的應用

（一）工程結構牢固補強

讓復合材料牢固黏著、牢固于工程構件表層，以此來強化該結構部件的強度，提升其受力性。該方法產生于上個世紀80年代，最早西方發達國家應用，經歷了不斷發展、完善的過程，事實證明發揮著優勢補強作用，隨后該技術在中國建筑工程結構部件牢固補強中得以應用，效果明顯。具體的粘貼牢固補強主要包括：

第一，復合材料布纏牢固。主要用在砼柱或梁，憑借布纏繞來控制砼柱變形，提升其強度、抗震性能、抗剪能力等。具體的加固效果和砼柱形態以及截面形狀密切相關，如果是長方形截面，通常可以有效提升其抗剪能力、變形能力等。相反，對于弧狀的截面，其受壓承載力將大大提升。第二，復合材料片材附著于梁、板拉面。這種方式能有效增強梁、板受拉面的抗彎承載力，緩解裂縫，達到牢固穩定的目的，然而，總的來看，其中依然存在不足方面，例如：受拉面的抗彎效果同初始的配筋梁密切相關，復合材料的加固作用未得以充分發揮。此外，復合材料片材也用于建筑梁、柱構件的加固以及剪力墻加固中，同時，也用于建筑工程鋼結構、木構造等的牢固補強中，發揮了積極的作用。

（二）復合材料組合結構

該結構的主要應用原理為：讓各個類型、各個形式的復合材料制品同混凝土、鋼材等混合起來，發揮混合材料中各類成分的優勢，達到整體上最優、最牢固的結構系統。復合材料通常質地優良、性能優、可塑性強，可以打造出各類構造，根據所需形成多種組合結構，具體包括：

1）復合材料鋼混組合結構。將空心鋼管安裝在構件中心區域，在外圍包裹一層復合材料，再將砼灌注于二者中間，此時的建筑結構中，空心鋼管成為框架結構，包裹的復合材料則充當模板，不僅牢固了鋼管，也保護了其免遭腐蝕，也使得混凝土得以加固、牢固，控制了混凝土變形、提升了其承載力。2）復合材料混凝土組合梁。該結構的原理為：依托于組合作用，讓處于下方的復合材料承受拉力，上方混凝土受到壓力，在組合力下，復合材料與混凝土協調配合，打造出一個高強度、高性能的剪力鏈接構造。在這一組合原理下，復合材料的優勢功能得以發揮。3）復合材料鋁合金組合結構。按照組合牢固加工的原理，根據相關設計讓復合材料圍在鋁合金管材的外層，二者同步配合，充分發揮共有的優勢，增強了構件強度、抗腐蝕、經久耐用等。而且鋁合金具有一定的柔韌性，彌補了復合材料碎脆的特性。事實證明該組合構件更加適用于建筑工程中大跨度空間構造內。

（三）全復合材料結構

1）復合材料橋面。橋梁橋面施工中，選擇復合材料充當其面層構造，能夠達到控制橋體支撐構造、下端構造內力的作用，而且能夠有效防范各種外力因素、環境因素等對橋面的不良侵蝕。通常由復合材料構成的橋面板占整個橋面的25%-30%，這樣不僅減輕了橋面構造自身質量和重量，也能確保其長期使用。

2）復合材料編織網結構。該結構主要原理為：遵循特點的規律、規程，來將復合材料板條逐一排列，最后相互間編織起來，再實施整體張拉，最終打造出一個相對具有韌性、柔韌度的編織網構造。此構造集中應用了復合材料的優質性能，例如：質地輕、高強度、柔韌性等，通常用在大跨度建筑屋頂中，或者用在一些工業建筑結構施工中。

3）復合材料曲面構造。因為復合材料體現出良好的可塑性、韌性、靈活性，基于此可以對通過對復合材料進行優化改良、改造，最終形成想要的曲面構造。例如：對復合材料進行深加工，可以形成豐富多彩的幾何形狀、多樣的空間立體結構，而且還能夠憑借局部構造的完善與修理，使得構造形狀走向完善，按照功能所需塑造其形狀、結構，最終打造出一個高質量的曲面構造。以往的普通建材無法達到這一效果，而且實際的塑造需要花費大量的經費，增加了曲面結構設計成本。

4）抗腐蝕復合材料。環保、節能社會背景下，為了達到環保目標，一些污染處理結構得到了發展與應用，為了提高這些構造物抗腐蝕、耐腐蝕的性能，就必須采用先進的結構材料，此時，復合材料應用其中效果明顯，例如：污水處理廠的作業平臺等，在海洋工程方面，常將復合材料用在船體構造中，發揮其耐海鹽腐蝕的優勢。

三、總結

復合材料作為一種全新的結構材料應用于土木工程建設中，能夠發揮多方面的優勢，提高工程施工建設效率，提升工程質量，優化并改善工程結構。

參考文獻：

[1] 蔡國宏.先進復合材料在橋梁中的應用現狀和發展前景.高新技術專題報道：中國交通，2010，23（11）.

[2] 馮鵬，葉列平，盂鑫淼.FRP加固與增強金屬結構的研究進展[C].第22屆全國結構工程學術會議論文集第1冊，2013.

[3] 岳清瑞.我國碳纖維（CFRP）加固修復技術研究應用現狀與展望[J].工工業建筑，2000，30（10）：23-26.