纤维复合材料在土木建筑工程中的应用进展王 腾,郭燕坤(东华大学纺织学院,上海200051)摘 要:纤维复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀和耐疲劳等特点,在土木建筑工程中可替代传统的混凝土、木结构、钢和钢筋材料。介绍了在土木建筑工程中纤维复合材料的主要类型及其应用优势和现状,对存在的问题进行了简要叙述。关键词:复合材料;土木建筑;智能复合材料;桥梁;混凝土中图分类号:TS102 文献标识码:A文章编号:1673-0356(2006)02-0014-03
收稿日期:2005-12-13作者简介:王 腾(1980-),男,东华大学在读硕士研究生。 随着世界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、高耸、重载、高强和轻质发展,以及承受恶劣条件的需要,在土木建筑工程中的应用日益扩大。如用于纤维混凝土和结构的补强加固[1]、建筑物柱和桥梁桥墩加固[2]、满足近海建筑物结构的抗腐蚀要求[3]等,此外将智能复合材料应用于土木建筑工程时,还可以实现桥梁、高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能[4]。纤维复合材料替代传统建材应用于土木建筑工程,既为纺织行业的发展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。1 纤维复合材料在土建工程中的优势[3,5~8]纤维复合材料具有传统的建筑材料无法比拟的优点。(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在宏观上的物理组合,其性能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5208的比强度是铝材的6.3倍、钢的5倍,比刚度为铝材的4.16倍,因此在土木建筑工程中使用可缩短工期和降低工程复杂性。(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%。(4)良好的抗化学反应和化学腐蚀性。传统建材如钢筋等不耐腐蚀,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电绝缘材料,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材自振频率甚高,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。例如美国人在建筑物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[8]。2 纤维复合材料在土建工程中的主要类型和应用211 纤维混凝土复合材料在土木建材领域中,水泥混凝土是使用最大宗的建筑材料,但水泥有脆性大、抗拉强度低、抗冲击性差等缺点。在水泥基体中加入纤维(钢纤维、碳纤维、芳纶纤维以及智能纤维等)形成的水泥基纤维复合材料则赋予了混凝土高强度、高韧性、高阻裂、高耐久,体积稳定性、功能化和智能化等优点。21111 纤维增强混凝土[9~10]纤维增强混凝土就是将某些抗碱性强、力学性能优良的合成纤维用不同方式与水泥砂浆或混凝土相复合,能在不同程度上改善后者的力学与物理性能,并提高它们的使用价值和耐久性。其理论基础来源于/纤维阻裂机理0(或称纤维间距理论)和/复合材料机理0[9]。这两种理论的提出极大地促进了纤维混凝土的发展。1970年初,钢纤维增强复合材料作为最早的纤维增强水泥和混凝土实用化产品应用于土木工程中,而后相继出现了玻璃纤维混凝土、Aramid纤维混凝土、Kelver纤维混凝土、C纤维增强混凝土,其中以C纤维增强混凝土性能最优,具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能,在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋或钢丝,可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用,使建筑构件重量减轻,安装施工方便,缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动#14#纺织科技进展 2006年第2期 波,使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。有研究表明[10],只要在水泥混凝土中混入0.5%~3%的碳纤维,就可以有效地改善混凝土的力学性能,其抗压、抗拉、抗弯强度均有很大提高。21112 功能/智能混凝土[11~13]随着人类社会和科技的发展,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:导电水泥基复合材料、屏蔽磁场水泥基复合材料、损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土等。(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曲别针形的钢纤维来达到屏蔽作用。研究结果表明[11],在混凝土中掺入5%(体积)的钢质曲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[11]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[11]。(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:即温差电动势E与温差$t之间在最高温度为70e,最大温差为50e的范围内存在稳定的线形关系。利用这种特性该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[12]。(5)自修复混凝土。该混凝土的原理是将含有粘接剂溶液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,其中加入多孔的编织纤维网,利用多孔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无机有机相结合的复合材料。同时当混凝土发生损伤时,多孔有机纤维会释放高聚物,使损伤愈合[12~13]。(6)导电水泥混凝土。是在水泥基体中掺入适量纤维导电材料碳纤维或金属纤维。不仅可以使水泥基复合材料具有良好的导电性,还能改善它的力学性能,增加延展性。导电水泥混凝土可应用于工业防静电结构,道路路面处的化雪除冰,住宅的电热结构[13]。212 纤维聚合物筋纤维聚合物筋是由微小纤维包裹在树脂母体中经过拉挤成型工艺和特殊表面后处理做成的复合材料制品。主要种类有玻璃纤维纤维聚合物筋、碳纤维纤维聚合物筋、芳纶纤维纤维聚合物筋等。其相对于钢筋具有比强度大、抗疲劳性能好、低松弛性、抗腐蚀性强、与混凝土的粘结性能好、抗电磁性好和热胀系数小等优点。纤维聚合物筋可用于新建混凝土结构和预应力混凝土结构中代替钢筋浇筑成混凝土梁/柱,美国现已成功地运用碳纤维纤维聚合物筋修复了弗罗里达州肯尼迪大厦的沿海屋面,并在一座跨度为52m的桥上使用了30km纤维聚合物筋棒材[15]。日本在茨城县高尔夫球场修建的一座人行桥中,采用纤维聚合物筋编织束作为预应力筋,该桥为后张预应力悬臂板梁,长54.5m,宽2.1m,所有编织束的截面为4.86mm@19.5mm,每束保证强度为118kN,8根束组成一根力筋,一共用了16根[17]。213 结构补强材料复合材料应用于土木建筑工程中的结构补强材料主要采用纤维片材修补、补强形式。所谓连续纤维片材修补、补强是指在现有混凝土结构物的表面用树脂粘合剂粘贴定向排列的连续纤维片材,通过其与结构或构件的协同工作,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的一种结构外部加固技术。通常使用的纤维是芳纶纤维和碳纤维。结构补强材料传统的结构是钢板,它自重大、施工不便且耐腐蚀性差、易老化。而连续纤维片材结构补强材料与传统的粘钢板技术相比,其加固技术具有明显的技术优势,表现为[14~16]:(1)高强高效。由于纤维复合材料轻质高强等优异的物理力学性能,可在对原结构几乎没有影响的情况下大大提高被加固构件的抗弯、剪、扭、拉承载力和抗震性能。(2)施工方便,质量和工效高。纤维质轻性柔,可手工缠绕在混凝土表面而无须使用大型机具,也不需要焊接,无湿作业,噪声及灰尘极小。(3)防护、维护性能好。由于纤维复合材料往往具有很好的耐腐蚀及耐久性能,可抵抗各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。用该加固技术对结构处理后,不仅不需要定期维护,而且对内部混凝土起到了保护作用。(4)适用面广。由于复合材料片材较柔软,可用于各种结构形状和各种结构类型建筑物的修补,达到不改变结构形式又不影响结构外观的效果。(5)有利于实现智能化。如用碳纤维片材作加固材料,可根据加固修复部位导电性能的变化情况,实现对该部位的安全检测与诊断。瑞士已成功运用纤维复合材料对被损坏的桥跨长39m,伊巴赫桥进行加固,加固后,满足了承载力的要求[19]。日本也广泛采用了这项技术对受损桥梁及建筑进行了加固,取得了明显的经济效益[14]。国内湖南溆浦大江口桥、上海宝山飞云桥,以及南京长江大桥引桥[5]等,也都采用了环氧树脂粘贴玻璃布形成玻璃钢的方法进行补强加固。研究表明[20~21],用先进复合材料板代替钢板加固混凝土梁可节约资金25%。214 全成型结构增强材料纤维增强复合材料拉挤成型后,可以加工成H型、箱型、圆形等各种截面形状。其中拉挤玻璃钢筋的生产和应用在发达国家已开始走向工业化和规模化。如美国建成的一座全复合材料平台,它长49m,宽6m,矩形箱梁为拉挤成型,采用纤维缠绕玻#15# 2006年第2期 纺织科技进展璃钢管/销0实施侧面加固,以便在各型材之间传递剪力载荷[15]。瑞士一座5层的高性能建筑由分离的玻璃纤维加强聚酯标准构件装配而成,构件之间由双组分环氧树脂胶粘合,为了减少连接构件的数量,框架做成多层拼接,类似于传统的木结构。楼板梁由粘合的箱形构件制成,柱为槽形截面,位于楼板梁的两侧,贯穿整个建筑全高[22]。复合材料增强全成型构件在土木工程中的其它应用场合还包括桅杆、桩、管道、塔等。复合材料交通信号灯由于质轻、抗腐蚀、抗风震等特性,已应用于美国的一些高速公路[3]。215 其他应用纤维复合材料在土木建筑工程中除了上述几种类型外,还有下面几种应用形式:(1)纤维增强胶接层板[14]。纤维增强胶接层板是在木板的一面或二面胶粘一层或二层纤维增强胶接层板,以承受拉伸或压缩载荷。其表面的纤维增强复合材料层板具有良好的阻燃性能;价格比使用钢桁架的天花板系统低8%,比使用传统木桁架低25%,可明显减少重量,减少木材的需求。(2)纤维增强塑料模板[15]。利用大面积纤维复合材料模板,可节约模板组装时间,且作为承载构件的一部分,用后不需拆除。使用纤维复合材料壳体不但能参与承载提高柱的强度,起着约束混凝土的作用,提高柱的抗震性,而且作为外壳可防腐蚀,这样制作的柱变得细长,既经济又非常美观。(3)屋面防水材料[15]。传统的沥青毡防水效果不理想,使用寿命短。将碳纤维水泥混合物用于涂覆平坦的房顶,由于水对碳纤维复合材料的透渗性非常低,且其尺寸收缩率优于普通水泥,可解决水泥产生的裂缝问题,提高建筑物的防渗质量。(4)电磁屏蔽板和导电板[9]。由于碳纤维的高导电性,可消除来自大气的放电和雷击的静电。可以采用碳纤维复合材料来制备防止电磁辐射的屏蔽板、地下管线等。(5)纤维复合材料还可以用作制作帘墙板(优良耐老化性和突出机械特性的轻量板,可应用于高层建筑和海边耐腐蚀建筑)、墙和防腐蚀涂层、耐磨铺地材料、耐化学腐蚀性地板[9]等。3 存在的问题[16,18]就目前来看,复合材料在土木工程中的应用还有一些问题有待解决。(1)复合材料结构设计还缺乏标准和规范,纤维复合材料要想在土木工程领域取得较大的发展,必须制定相应的设计标准、规范及测试方法。(2)复合材料原材料成本较高,限制了在土木建筑中的应用。(3)由于土木工程中纤维复合材料的用量很大,复合材料结构毁坏后如何回收将成为比较重要的环保课题。(4)纤维复合材料在土木工程的实际应用中需要解决的很多新的力学问题,如复合材料本身结构特性对力学性能的影响、非力学量之间的藕合效应;杂交材料浇筑的梁/柱在荷载作用下的变形、裂缝的产生和扩展、外包结构在外露环境下,外界化学物质的腐蚀作用对其界面之间的力学性能的影响等。4 结语由于传统材料如钢、混凝土、木材受自身特性的限制而无法在修复中使用,同时,由于地球上的材料资源是有限的,天然建筑材料已出现不足,各国都在努力开拓轻质、高强、多功能的人造材料。所有这些都为纤维复合材料应用于土木建筑工程提供了广阔的前景。参考文献:[1] 李贵国,赵轶玲,尹冬岭.碳纤维复合材料在工程中的应用与发展[J].低温建筑技术.2002,3.[2] 吴海军,陆 萍,周志祥.CFRP在新建桥梁中的应用与展望[J].重庆交通学院学报,2004,(1):1-4.[3] 郑代华,杨庆生.复合材料在土木工程中的应用现状[J].北方交通大学学报,1999,23(4).[4] 陶宝祺,粱大开,熊克,袁慎芳.形状记忆合金增强智能复合材料结构的自诊断、自修复功能的研究[J].航空学报.1998,19(2).[5] 曾宪桃,车惠民.复合材料FRP在桥梁工程中的应用及其前景[J].桥梁建设,2000,2.[6] 于 清.FRP的特点及其在土木工程中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报,2000,33(6).[7] 李建保,王厚亮,孙格靓,等.炭纤维复合材料在智能建筑结构中的应用[J].炭素技术,2000,4.[8] 陈 勇.压电自适应结构振动控制技术研究[D].南京:南京航空航天大学,1998.[9] 马 俊.纤维增强水泥基复合材料的新发展[J].高科技纤维与应用,2002,6.[10] 刘丽娟,徐梁华,王广林,王 博.碳纤维增强混凝土复合材料的应用研究[J].化学建材,2002,2.[11] 姚 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