復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

馬吉峰

石家莊高新建設(shè)投資有限公司 河北省 050000

復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用

馬吉峰

石家莊高新建設(shè)投資有限公司 河北省 050000

自改革開放以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，土木行業(yè)乘著社會(huì)前進(jìn)的步伐，取得了跨越性的發(fā)展，在土木工程使用材料上發(fā)生了巨大變化，新材料、新技術(shù)、新工藝得到了突破性的發(fā)展。復(fù)合材料就是其中十分具有代表性的一種新型建筑結(jié)構(gòu)材料，以質(zhì)量輕、力學(xué)性能好、抗腐蝕等特點(diǎn)著稱，在現(xiàn)代土木工程建設(shè)中有著較為廣泛的應(yīng)用。

復(fù)合材料；土木工程；發(fā)展與應(yīng)用

1 引言

在生活中我們常能見到的復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，簡(jiǎn)寫為FRP，是由樹脂和多種性能極強(qiáng)的纖維組合而成，人們常見它被用于結(jié)構(gòu)加固或補(bǔ)強(qiáng)。新材料的制造及應(yīng)用技術(shù)往往標(biāo)志一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展程度，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)復(fù)合材料的開發(fā)給予足夠的重視，刻苦鉆研，積極開發(fā)并運(yùn)用于實(shí)際，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力性，延緩建筑使用年限，修復(fù)結(jié)構(gòu)損傷，最大程度的減小工程建設(shè)對(duì)環(huán)境的不良影響，更好地造福人類。

2 復(fù)合材料的發(fā)展歷程

上世紀(jì)五六十年代，人們開始了在民用建筑中應(yīng)用復(fù)合材料的嘗試，1961年英國(guó)斯梅西克一座教堂成功應(yīng)用了玻璃纖維復(fù)合材料制作教堂尖頂，隨后在復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的成功應(yīng)用后，世界更多的學(xué)者加入了復(fù)合材料的研究中，極大的加速了復(fù)合材料的發(fā)展，而我國(guó)在上世紀(jì)八十年代才開始在結(jié)構(gòu)工程中大量應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。1972年，云南省用GFRP建成了一個(gè)直徑達(dá)44米的雷達(dá)天線罩；1982年，北京密云建成世界上第一座FRP公路橋，橋梁跨徑20.7米，是一座GFRP蜂窩箱梁型公路橋。隨后FRP得到了快速發(fā)展，大規(guī)模的應(yīng)用FRP，是從該材料用于土木工程結(jié)構(gòu)加固開始。從美國(guó)北嶺和日本阪神地震后的加固修復(fù)工作來看，復(fù)合材料加固優(yōu)勢(shì)凸顯，其加固的經(jīng)濟(jì)性和安全性得到了土木界的廣泛認(rèn)可。

3 復(fù)合材料在土木工程中的主要應(yīng)用

3.1 工程結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)

利用各種方法將復(fù)合材料附著在受力構(gòu)件表面，已達(dá)到增強(qiáng)原有構(gòu)件的受力性能。常見的混凝土加固方式有三種：第一種，用FRP布對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行纏繞加固，最具代表的纏繞加固就是對(duì)混凝土柱的纏繞加固，此種對(duì)柱加固方法成效明顯，是基于約束混凝土的受力變形提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度原理，在增強(qiáng)軸向受力的同時(shí)還能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪、抗震能力。第二種，在混凝土梁或板以及橋梁跨度內(nèi)的受拉面貼用FRP片材。此種加固補(bǔ)強(qiáng)在我國(guó)極為常見，特別是在老舊建筑改造加固、橋梁承載修復(fù)、震后房屋損傷修復(fù)方面應(yīng)用廣泛，貼面加固補(bǔ)強(qiáng)可有效提升構(gòu)件的抗彎能力，防止結(jié)構(gòu)裂縫的延伸。實(shí)踐證明在超載下常發(fā)生結(jié)構(gòu)和貼片剝離現(xiàn)象，F(xiàn)RP片材與原結(jié)構(gòu)的貼合還有待進(jìn)一步提高。第三種，對(duì)混凝土柱或梁應(yīng)用FRP片材包裹然后外部應(yīng)用FRP布進(jìn)行環(huán)繞加固補(bǔ)強(qiáng)，此加固方法實(shí)質(zhì)上是前兩種方法的復(fù)合運(yùn)用，加固效果最好，能有效提升結(jié)構(gòu)的抗壓和抗剪能力，但此方法FRP用量較大。

3.2 FRP筋索和預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)

FRP筋，質(zhì)量輕，其纖維量占比達(dá)60%-65%，同樣體積的FRP筋與鋼筋相比，重量約為鋼筋的五分之一，但其受力強(qiáng)度卻約為普通鋼筋的六倍。因此，F(xiàn)RP索常被用作斜拉橋或懸索橋的纜索，其抗振動(dòng)、抗疲勞的能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的鋼束，且施工容易，后續(xù)維保經(jīng)濟(jì)、便捷。利用FRP筋代替鋼筋做成預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土，不但能減輕自重、增加強(qiáng)度，還能抵抗混凝土堿性環(huán)境對(duì)筋條的腐蝕，降低維保費(fèi)用，延長(zhǎng)建筑使用年限。同時(shí)FRP混凝土結(jié)構(gòu)還具有非磁性的特征，能夠?yàn)槿祟惿a(chǎn)生活和科學(xué)研究提供一個(gè)無磁性建筑空間。

3.3 FRP組合式結(jié)構(gòu)

將不同種類或不同形式的FRP制品進(jìn)行組合應(yīng)用，或?qū)RP與傳統(tǒng)鋼材、混凝土、木材等材料進(jìn)行特意組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了材料之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在增強(qiáng)力學(xué)性能的同時(shí)，還能節(jié)約成本，有助于建筑造型的多樣化，延長(zhǎng)建筑使用年限。目前應(yīng)用技術(shù)比較成熟的有FRP-混凝土組合梁，F(xiàn)RP管混凝土組合構(gòu)件，F(xiàn)RP-木組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，F(xiàn)RP-鋼管-混凝土組合結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP-鋁合金組合構(gòu)件等。

3.4 全FRP結(jié)構(gòu)

FRP的高強(qiáng)輕質(zhì)，耐腐絕緣等特性，使其在土木工程中具有十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，全FRP結(jié)構(gòu)在建筑中應(yīng)用較多，因其具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和加工性，全FRP結(jié)構(gòu)常具有新穎的造型。常見的全FRP結(jié)構(gòu)體系有：FRP輕質(zhì)橋梁，F(xiàn)RP編制網(wǎng)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP桿件空間結(jié)構(gòu)，快速架設(shè)應(yīng)急FRP橋等。

4 增加科研投入、制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，助推復(fù)合材料跨越式發(fā)展

復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用離不開科研的支持，加大科研投入，能吸引更多更多的人才加入到復(fù)合材料的研發(fā)隊(duì)伍中，大大提升新材料、新技術(shù)、新工藝的研發(fā)進(jìn)程。復(fù)合材料研發(fā)成功并投入市場(chǎng)應(yīng)用后，必須積極吸取傳統(tǒng)混凝土工程、鋼筋工程等系列規(guī)范的制作經(jīng)驗(yàn)，制定嚴(yán)格的復(fù)合材料加工、應(yīng)用、施工、檢測(cè)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我國(guó)的復(fù)合材料研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定已有數(shù)十年歷史，目前已初步形成了一些較為基礎(chǔ)的復(fù)合材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，如土木工程中復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、土木專用復(fù)合材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、通用復(fù)合材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展和應(yīng)用起到了十分顯著的效果，但隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。制定行之有效的復(fù)合材料應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，勢(shì)必將推動(dòng)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

5 結(jié)語

近年復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用發(fā)展迅猛，特別是橋梁和民用建筑方面的應(yīng)用技術(shù)更是得到了前所未有的發(fā)展，現(xiàn)今，復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)象尺寸更大，耐久、耐腐蝕性要求更高，施工要求更加簡(jiǎn)便，許多復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足土木工程發(fā)展的需要，我們的復(fù)合材料研發(fā)和復(fù)合材料施工應(yīng)用技術(shù)亟待提高。

[1]馮鵬.復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(9):99～104.

[2]沙政輝.復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用[J].中外企業(yè)家,2015(18):222.

[3]趙李艷.關(guān)于復(fù)合材料在土木工程中的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].江西建材,2015(21):266～267.