复合材料在土木工程中的发展与应用

摘要：从目前土木工程建设中所使用的复合材料来看，FRP作为一种新型的复合材料，被广泛的应用到工程施工建设过程中。FRP复合材料不仅具有重量轻、成型便捷以及强度高等特征，而且其耐腐蚀性能相对比较强。与传统的钢材与混凝土土木工程建筑施工材料相比，复合材料材料的出现能够有力补充其在施工工程中的不足。就目前建筑行业的发展形式上看，FRP复合材料在未来五十年内具有良好的发展前景。本文将对复合材料在土木工程的发展应用做简要的分析与阐述，以供参考。

关键词：土木工程；复合材料；发展与应用

在工业领域，复合材料主要指的是在物理技术及化学技术的作用下，将一些具有不同性质的材料制作成一种在宏观或微观领域具有一定新特点的新型工业材料的过程。对不同材料的自身优点的发挥，是这一材料在实际应用过程中表现出的一种主要特点。在20世纪50年代，针对当时新中国所面临的百废待兴的局面，在苏联专家的帮助下，我国学者开始对复合材料问题进行了探究。在20世纪80年代，混凝土结构外贴玻璃纤维在土木工程领域的应用，让土木工程的防腐功能得到了一定程度的强化。随着土木工程技术的不断发展，碳纤维复合材料在土木工程中的应用，对土木工程中的桥梁工程等问题的优化，起到了一定的促進作用。在对与复合材料有关的问题进行探究的过程中，我们可以对这一材料在土木工程领域中的应用问题进行探究。

1复合材料的发展历程

随着科学技术的发展，一大批新型材料被开发出来以适应社会快速发展的需要，复合材料（FRP）也顺应时代的需求而诞生。FRP的主要组成部分是芳纶、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等，这些都属于高性能的纤维和树脂，以它们作为基体进行混合，然后通过一定的加工工艺形成一系列具有独特结构的材料。FRP相对于其他材料具有优越的性能：强度高、质量小、耐腐蚀性强并且施工方便，在土木工程中获得越来越多的关注，现在经常见到FRP与混凝土、钢筋等材料结合用于土木工程中，并且土木工程正在不断研究将FRP应用在各类结构物中。

20世纪五六十年代人们就开始研究在民用建筑中使用FRP，1961年英国Smethwick将GFRP应用在1座教堂的尖顶，1970年英国利物浦将GFRP作为连续梁用在1座人工天桥上。我国在20世纪50年代末探索使用玻璃纤维替代钢筋用在混凝土构件中，到20世纪七八十年代人们开始大量研究FRP在结构工程中的应用：1972年云南用GFRP做成了1个雷达天线罩；1982年北京密云使用GFRP建造了1座公路桥，承重能力极强。最初FRP在土木工程中用作结构加固，使用FRP加固后的土木工程在地震中表现出良好的性能，从而获得了人们的一致认可，开始大规模的应用FRP，到了21世纪初，FRP已经成为一种应用广泛的土木工程材料，我国现在每年都会使用大量的复合材料。

2复合材料在土木工程中的作用

随着科学技术的不断发展，复合材料已经在工业生产中的多个领域得到了应用，汽车工业中汽车车身的制作工艺离不开复合材料的支持。人们日常生活中经常接触的复印机和打印机，也对这一材料进行了一定程度的应用。在对这一材料在土木工程施工项目中的应用问题进行探究之前，我们首先需要对这一材料在土木工程中所表现出来的作用进行探究。从这一技术在土木工程中的应用现状来看，结构加固补强作用，是这一材料在土木工程施工领域所发挥出来的主要作用。在笔者看来，这种结构加固补强作用主要指的是对土木工程项目自身的受力性能进行强化的一种有效方式。2008年四川汶川发生严重地震灾害以后，有关部门在灾后重建过程中就对这种复合材料进行了应用，从这一技术的应用效果来看，它对地震中受损的建筑物的加固修复工作起到了一定的促进作用。

3复合材料在土木工程中的主要应用

3.1工程结构的加固补强

针对复合材料的应用，主要是利用各种方法，使FRP在构件表面受力进行附着，这样一来，原有构件才会有效的增强其受力性能。上世纪八十年代，在工程实践当中，利用混凝土结构外贴玻璃纤维，使复合材料的加固方法得到有效的增强。主要是将防腐作用充分的发挥出来，与此同时，结合律钢丝和混凝土，因此这种尝试并没有得到推广。在九十年代初期，利用碳纤维增强复合材料，有效的加固了多跨连续箱形桥梁，并且取得成功，促进纤维增强复合材料的加固结构修复技术得到有效的推广，并且在实际工作当中得到快速的发展，在实际工程当中得到广泛的应用，通过实践，验证了FRP加固技术在工程结构当中的强大优越性。我国在1988年完成了有关CFRP的加固工程，为我国的FRP发展奠定了坚实的基础，在我国一些重大的工程当中得到广泛的应用，FRP加固技术在建筑重建当中发挥着不可代替的作用。当前各种类型的结构加固当红成功运用了FRP，涉及到的领域不仅包括建筑结构和桥梁结构，水工结构和地下结构也被包含在内。

3.2 FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构

土木工程中所采用的FRP材料，其纤维占有比重相对比较大，筋度重量相对比较小，并且其强度范围相对比较高，相当于常规钢筋的多倍。FRP纤维材料的耐腐蚀性的特点较为突出，同时也是能够有效的替代钢筋的主要性能之一。在土木工程建设当中，其不仅能够有效的避免出现由于钢筋出现锈蚀，破坏工程结构的现象发生，而且还能有效的节约工程的维修成本，提高工程建筑企业的经济效益。除此之外，FRP材料的非磁性特点也较为突出，并且符合相关工程所要求的无磁性的标准。FRP索在道路桥梁建设工程中有着广泛的应用，其能够有效的发挥缆绳的作用，可以作为预应力筋来使用。在上个世纪六十年代，配筋的方式广泛的应用到道路桥梁建设混凝土建设当中，其主要目的是利用GFRP的基本性能，有效的避免有些特殊地区受到不利因素的影响，比如说沿海以及部分寒冷地区出现的盐蚀现象。由于GFRP在价格上相对不是很高，耐久性相对比较强，并且工程施工上相对比较简单，在工程建设中使用的相对比较广泛。近几年，在国内工程建设中，使用的较为广泛的是配套锚夹具、索产品以及FRP筋等工程施工材料。通过对FRP筋混凝土的研究中不难发现，其主要包含以下两方面的内容：第一方面是筋与工程混凝土之间的粘结问题，如果粘结达不到理想中的效果，并且采用不佳的处理方式，其粘结效果发挥不到应有的作用；另一方面利用FRP筋混凝土在力学方面的主要性能，这主要是由于FRP筋所具有的弹脆性的特点，这与传统的混凝土承受力存在方式有所不同，由于其立足点不同，在土木工程建设工程一定要视情况而定。

3.3 FRP和传统材料结合

不同种类FRP之间或者FRP和钢筋、混凝土之间可以进行混合使用，互相取长补短，增加性能，形成新的结构体系就是FRP组合结构。主要有以下几种。1）在FRP管中加入混凝土形成FRP-混凝土组合构件，混凝土受到FRP管的约束，FRP管还兼具模版的作用加快施工进度，且具有很强的持久性能。2）将FRP包裹在空心钢管外，再用混凝土填充钢管和FRP，FRP用作模版，钢管用来承重，FRP和混凝土保护钢管，混凝土受到约束作用，承载能力大大提高。3）在工程构件下部使用FRP，上部使用混凝土，形成FRP-混凝土组合梁，可以更加充分地利用FRP，但是其中保证FRP和混凝土之间连接部分是关键部分。41在铝合金管的外表面包覆FRP形成CFRP-铝合金组合构件，该组建可以把铝合金和FRP的质量小、强度高、耐腐蚀性强的优点充分发挥出来，并且也解决了FRP比较脆、连接困难和铝合金较难进行弹模的问题，因此具有相当广泛的应用。

3.4全复合材料结构

在对复合性材料的力学性质进行探究以后，我们可以发现，强度高是这一材料在力学领域所表现出的一种主要特点。从这一材料在实际应用中所表现出来的特点来看，耐腐蚀性和可设计性是这种材料所表现出的一种主要特点。从这一材料在土木工程中的表现来看，全复合材料结构在土木工程领域中的桥梁工程中有着较为普遍的应用。例如复合材料桥梁的快速架设技术的出现，就可以被看作是将全复合材料结构应用于土木工程的一种表现。在人们的日常生活中，在地震、火灾、洪涝灾害（泥石流）或台风（飓风）灾害发生以后，这一技术会在灾害救援工作的开展过程中得到应用。在战争环境或军事演习项目中，工程兵部队所进行的桥梁架设作业，也可以被看做是桥梁应急快速架设措施的一种表现。不论是在灾害环境下还是在战争环境下，桥梁的应急架设工作都会对桥梁机动性和标准化问题提出较为严格的要求。由于复合材料在日常生活中具有轻量化的特点，这就使得这种材料的应用问题引起了一些学者的关注。从这一技术的应用情况来看，服务于军事领域，是这一技术的研究工作所表现出的主要特点。从这一技术的应用前景来看，随着一些军事領域的新型科研成果的问世，军队中的工程兵部队在实战环境下的桥梁架设能力会得到有效提升。

4材料的发展与应用

4.1增加科研投入、制定标准规范，助推复合材料跨越式发展

复合材料在土木工程中的应用离不开科研的支持，加大科研投入，能吸引更多更多的人才加入到复合材料的研发队伍中，大大提升新材料、新技术、新工艺的研发进程。复合材料研发成功并投入市场应用后，必须积极吸取传统混凝土工程、钢筋工程等系列规范的制作经验，制定严格的复合材料加工、应用、施工、检测等标准规范。我国的复合材料研发和标准制定已有数十年历史，目前已初步形成了一些较为基础的复合材料应用标准，如土木工程中复合材料工程应用技术规范、土木专用复合材料产品标准、通用复合材料试验方法标准等，这些标准规范为复合材料在土木工程中的发展和应用起到了十分显著的效果，但随着复合材料应用范围的不断扩大，在众多应用领域尚未有统一标准。

4.2对纤维增强复合材料配筋进行研究

我国对纤维增强复合材料配筋在混凝土梁中的应用的研究也比较早，到目前为止，我国已经能够生产出多种纤维增强复合材料筋、索产品以及与其相配套的夹具，随着研究的力度不断加大，促使我国在实际的实践中也取得了一定的研究成果。在研究纤维增强复合材料筋混凝土的过程中，主要是研究两个方面的内容：首先是混凝土与纤维增强复合材料之间的截面的粘结性能的问题，这是因为这两者的粘结性能都很差，不同的筋材形式与表面处理形式，最后得到的粘结性能也是具有差异的；其次是特殊力学性能，纤维增强复合材料筋是一种弹脆性材料，因此与传统钢筋混凝土构件相比，应用了纤维增强复合材料筋的混凝土的构件的受力性能也是不同的，这也成为了相关学者在今后都将进行重点关注的研究内容。

4.3功能、智能混凝土

现代社会科技发展迅速，人们对建筑物的要求也越来越高，混凝土的材料不仅要能够承受荷载，还要智能化，多功能化。纤维复合材料在混凝土当中应用有：温度自调节混凝土、屏蔽磁场水泥基复合材料、损伤自诊断混凝土、导电水泥基复合材料等

1）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。

2）屏蔽磁场水泥基复合材料

不管是路面还是建筑物都必须具有屏蔽磁场的功能，为了让它们具有这种功能，一般情况下会在混凝土当中加入钢纤维，形状是曲别针的形状，从而达到屏蔽的作用。通过研究表明，在混凝土当中加入5%体积的曲别针就能够达到屏蔽磁场的效果。

3）应变自感应混凝土

这种纤维混凝土是把碳纤维等等均匀掺入水泥当中，从而让水泥具有应变自感的功能，可以自己感知内部的应力以及损伤的程度，从而敏感地检测压、拉、弯等状态的内部情况。

综上所述，土木工程和FRP的应用领域是非常不同的，其主要的应用对象的尺度比较大，需要很长的时间，应用的条件比较复杂。土木工程广泛的应用混凝土和刚才，其发展历史也不过是150年，在土木工程中应用FRP的时间更短，应用形式逐渐变得丰富，其应用前景也会逐渐变得广阔。

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