纖維增強復合材料在建筑工程中的應用

臧德厚

（山東中煙工業公司頤中（煙草）集團有限公司 山東青島 266000）

鋼筋和混凝土作為建筑工程傳統施工材料，展示出了其優異的力學性能，保證了國民建筑工程質量。隨著科技的發展和新材料的出現，纖維增強復合材料逐漸由航空領域推廣應用到建筑領域。該種材料不僅降低了建筑工程造價，還大幅提高了工程質量，推動了我國建筑行業的快速發展。

1 纖維增強復合材料優勢

傳統的鋼筋混凝土結構，在受到溫度、濕度、氯離子等因素影響時，由于混凝土呈堿性，導致其逐漸被中性化，從而使得鋼筋失去保護受到腐蝕，降低了建筑工程結構壽命和耐久性。國內外學者對鋼筋混凝土結構的腐蝕機理進行研究，提出了一些技術措施以降低其腐蝕程度，如采用鋼筋阻銹劑、電鍍鋼筋保護膜、鋼筋表面進行環氧涂層等。隨著纖維增強復合材料的廣泛應用，對建筑工程產生重要影響。

碳纖維在常溫下有良好的穩定性，耐酸、耐堿和耐有機溶劑，同時其具有耐老化、抗輻射和耐潮濕等優良特性。因此通過采用碳纖維增強聚合筋替代鋼筋具有很多優勢，比如耐腐蝕性能好，疲勞性能好。

碳纖維材料質量輕，具有良好的抗疲勞性能，在施工過程中可以不用大型機械吊裝設備，不僅施工步驟簡單，還可以縮短工時，施工操作簡便易行。

復合材料成型工藝具有很強的可設計性，對于復雜結構，通過熱壓罐工藝可實現高精度一次成型，為建筑設計和創作提供了更具有想象力的空間。例如，拱型、球面型、雙曲面型等構件或整體組裝結構等。

2 工程應用

2.1 巖土工程

巖土工程施工過程中，一般面臨復雜地質體，常會出現坍塌、地面沉降、滑坡等地質災害，需要構造防護墻、支護網、錨固工程等保護措施。傳統的鋼質錨桿由于地下水對鋼錨桿產生嚴重腐蝕使得錨固工程質量耐久性下降。碳纖維增強聚合筋具有良好的耐腐蝕性能，在進行巖土工程錨固時可以廣泛使用。

2.2 橋梁工程

橋梁大多為受彎構件，主要承受彎矩和剪力，較少承受軸力。由于纖維增強聚合筋比鋼筋抗拉強度高，可以將纖維增強聚合筋布置在橋梁截面受拉區域，使得纖維的抗拉性能充分體現。

但需要注意的是，由于碳纖維屬于脆性材料，其延性差，不適用于對抗震等級要求高的橋梁結構中。

2.3 海洋工程

海洋工程結構對材料抗海水腐蝕性能要求較高，采用鋼筋材料施工的海洋工程結構耐久性低。可以采用碳纖維增強聚合筋取代鋼筋，以解決海洋工程結構耐久性問題，延長工程使用壽命。

2.4 加固工程

混凝土結構在地震、海嘯等自然災害后，需進行檢測和加固，以滿足設計規范對結構強度和耐久性的要求，并延長其使用年限。傳統的補強材料一般為鋼板，不僅自重大且易被腐蝕。纖維增強復合材料具有良好的抗拉強度和耐久性，可以通過粘貼碳纖維增強聚合布等工藝進行加固。

2.5 寒冷、潮濕環境工程

在寒冷、潮濕環境中，鋼筋混凝土等結構建成后的維護費用較高，一般對于該類地區擬建項目，在保證工程質量的前提下，需要面對如何縮短建設周期、減少維護費用等技術問題。有些工程項目通過采用纖維增強復合材料聚合物筋混凝土結構取代鋼筋混凝土結構，實現降低維護成本。

2.6 空間結構工程

網架或網殼等結構中采用輕質高強、耐腐蝕的材料已經成為一種趨勢。英國建造了幾處網架結構，有的是嘗試性地用玻璃纖維增強聚合物桿件代替部分鋼構，有的是使用玻璃纖維增強聚合板作為受力或部分受力構件，但是由于玻璃纖維增強聚合物本身材料的限制，如彈性模量低、節點難處理等因素，導致復合材料在網格結構中的優勢不能體現，所以在此結構應用方面發展緩慢。

隨著生產技術的成熟，設計方案的優化，日本開發研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維增強聚合卷管。用于網架的碳纖維增強聚合桿件是由碳纖維增強聚合片材以不同的角度層疊粘貼而成。建造完成后，通過對比發現碳纖維增強聚合網架結構重量僅為鋼網架的1/5～1/4，相比鋼網架維護費用低，維護費用是鋼網架的1/5。現在采用纖維增強聚合薄板條的新型大跨空間結構體系，利用纖維增強復合材料增強結構的整體性，使整個結構具備足夠的幾何剛度，因為采用類似編竹席編織方法使纖維增強復合材料的抗拉強度得到發揮，而且可以獲得特殊的建筑效果，是一種高效的結構體系。

2.7 模板工程

復合材料模板是在原有塑料模板的基礎上不斷進行創新改進，可以提高房屋建筑工程混凝土的施工質量，降低工程成本、縮短工期以及提升現場安全文明。

3 纖維增強復合材料組合結構

纖維增強復合材料筋中纖維占比較高，比傳統的鋼筋材料強度更高，可通過施加預應力提高其與混凝土的粘結程度。通過纖維增強復合材料與混凝土或木材的組合，形成多種結構類型，性能優異，應用范圍也比較廣泛。

3.1 纖維增強復合材料管-混凝土

對纖維增強復合材料管內填充混凝土形成組合結構，既可以實現對混凝土的約束，還能提高整體施工速率，并具有耐用性強、持久性好等優點，既可以用于作樁、柱，也能夠作梁，提高了整體建筑結構的安全穩定性，提高了其負載能力，并有效降低了自身重量。

3.2 纖維增強復合材料-鋁合金組合構件

將纖維增強復合材料設計在鋁合金管的外表面，充分彌補纖維增強復合材料脆性且不易連接的缺點，實現輕質、耐腐蝕的優良特性，該類結構廣泛應用于大跨度空間結構中。

3.3 纖維增強復合材料-木組合構件

將纖維增強復合材料和木材進行合理結合，充分利用自身受力特點，提高抗火等級，相對于傳統結構件質量更輕，耐腐蝕性更好，與全纖維增強復合材料構件相比負載耐受能力更強，成本支出較低，因此應用前景也更大。

4 推廣應用瓶頸

纖維增強復合材料最初廣泛應用于軍工領域，近幾年才拓展應用于建筑行業，作為一種新型的輕質材料，其生產工藝仍處于發展階段，制造過程復雜，成本投入高，尤其在未實現規模化生產的試制階段，需要投入更高的成本才能最終定型生產，限制了其更為廣泛的應用。

纖維增強復合材料出現報廢或壽命終結后，不能有效回收，其回收成本較高，也阻礙了其應用的推廣。

纖維增強復合材料在建筑行業的損傷檢測技術及評價機制尚未形成標準。復合材料作為先進材料，其自身強度、剛度、疲勞壽命及損傷程度等決定了建筑工程的施工質量，在施工過程中，如果不能及時有效地對復合材料構件進行檢測探傷，那么將很難保證建筑施工質量。我國建筑行業標準目前缺乏對纖維增強復合材料構件等的建筑結構安全評估方法、標準及配套的完整修復規范，這也是限制該種材料進一步廣泛應用的瓶頸。

現常用的纖維增強復合材料錨具需專門在制作工廠里定制生產，質量不穩定而且投資較高，還需要深入對纖維增強復合材料的預應力錨具進行研究。現代結構工程基本理論與設計方法中一般要求進行延性設計，針對脆性破壞的聚合筋混凝土結構設計中的延性問題目前還沒有明確的、可控制結構設計的延性指標。對纖維增強復合材料混凝土構件的力學性能、延性研究缺少系統性，也限制了其進一步的推廣應用。

5 結語

纖維增強復合材料在建筑工程中應用廣泛，對提高整體工程質量、加快工程進度等起到了積極的推動作用。隨著紡織工藝及復合材料成型技術的發展，碳纖維復合材料性能不斷提高，不僅在航空航天等軍工領域的應用逐步擴大，在建筑工程等民用領域的應用也越來越廣泛，并進一步推進建筑工程領域針對復合材料檢測和修復的規范制定。