注：本文摘自《產(chǎn)業(yè)用紡織品》2008年第6期總第213期，作者：鄧文；崔建偉；張慧萍；晏雄

　　【摘要】：針對(duì)土木和建筑工程的發(fā)展趨勢(shì)，探討纖維復(fù)合材料在土木和建筑工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。介紹了國內(nèi)外纖維復(fù)合材料在土木和建鞏A-A-J-中應(yīng)用的進(jìn)展。

　　【關(guān)鍵詞】：纖維復(fù)合材料，土木工程，建筑工程，應(yīng)用
 

　　0引言

　　建筑工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位，不論是哪一個(gè)國家建筑工業(yè)都是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)居住面積、房屋質(zhì)量和娛樂設(shè)施等提出越來越高的要求，已成為推動(dòng)建筑工業(yè)改革發(fā)展的動(dòng)力。建筑工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向是：改善施工條件、加快建設(shè)進(jìn)度、降低成本、提高質(zhì)量、節(jié)約能源、減少運(yùn)輸、保護(hù)耕地、保護(hù)環(huán)境和提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益等。為了達(dá)到此目的，必須改善現(xiàn)有的建筑材料和發(fā)展新型建筑材料？。

　　隨著軍工生產(chǎn)與航空航天而發(fā)展起來的纖維復(fù)合材料，由于具有良好而獨(dú)特的性能，適應(yīng)了現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、高聳、重載、高強(qiáng)和輕質(zhì)方向的發(fā)展，在土木建筑工程中的應(yīng)用日益擴(kuò)大。纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩類：一類是剛性復(fù)合材料構(gòu)件，如粱、柱、骨架結(jié)構(gòu)等；另一類則是柔性復(fù)合材料構(gòu)件，如體育館、停車場(chǎng)和車站的屋頂、野營帳篷等膜構(gòu)件材料J。纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)建筑材料應(yīng)用于土木建筑工程，既為紡織行業(yè)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域，注入了新的活力，同時(shí)也為土木建筑業(yè)解決一些技術(shù)難題如能耗大、不利于環(huán)境保護(hù)等提供了新的途徑。

　　本文闡述纖維復(fù)合材料在土木建筑工程中的特點(diǎn)極其應(yīng)用等，為紡織品在該類行業(yè)的推廣提供參考。
 

　　1土木建筑工程中纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)土木建筑工程中纖維復(fù)合材料有如下幾方面特點(diǎn)。

　�。�1）材料性能的可設(shè)計(jì)性

　　纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時(shí)，由于其是基體材料和增強(qiáng)材料等組分材料的組合，既可保持原組分材料的某些特點(diǎn)，又能發(fā)揮組合后的新特性，且可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足單一材料無法達(dá)到的性能要求。

　�。�2）過載安全性好

　　在纖維復(fù)合材料中，由于有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)過載時(shí)復(fù)合材料中即使有少量纖維斷裂，載荷都會(huì)迅速重新分配到未被損壞的纖維上，不至于造成土木建筑工程中的構(gòu)件在瞬間喪失承載能力而斷裂。

　�。�3）高的比強(qiáng)度和比剛度

　　一些纖維復(fù)合材料如碳纖維T300／環(huán)氧樹脂5208的比強(qiáng)度是鋁材的6.3倍、鋼材的5倍，比剛度為鋁材的4。16倍，因此纖維復(fù)合材料是一類輕質(zhì)高強(qiáng)建筑材料。

　�。�4）結(jié)構(gòu)功能／智能化

　　在土木建筑工程中應(yīng)用智能纖維材料，還可以使結(jié)構(gòu)具有一定的智能功能。例如美國人在建筑物中使用智能復(fù)合材料制作的梁，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動(dòng)改變梁固有剛性和固有振動(dòng)頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長(zhǎng)，達(dá)到了建筑物結(jié)構(gòu)噪聲與振動(dòng)的主動(dòng)控制J。

　　（5）抗疲勞性能好

　　一般金屬的疲勞強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度的40％～50％，而某些纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的70％～80％，具有良好的抗疲勞性能。

　　（6）良好的抗震性能

　　纖維復(fù)合材料相對(duì)傳統(tǒng)建筑材料自振頻率甚高，不易出現(xiàn)共振，且在通常加載速度和頻率條件下不容易出現(xiàn)因共振而快速脆斷的現(xiàn)象；同時(shí)因?yàn)槠浯嬖诖罅康慕缑妫�振�?dòng)阻尼性也很大，一旦激起振動(dòng)，衰減也快。

　�。�7）良好的抗化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)腐蝕性

　　傳統(tǒng)建筑材料如鋼筋等不耐腐蝕，尤其在近海工程中，較易與工程周圍的空氣、海水以及污水中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使土木工程不能發(fā)揮應(yīng)有的作用而引起巨大的損失。而大部分纖維復(fù)合材料是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制作的設(shè)備或構(gòu)件一般具有良好的耐酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)侵蝕的能力。

　�。�8）高美學(xué)欣賞性

　　纖維復(fù)合材料組分中的材料纖維是柔軟的，樹脂是可以流動(dòng)的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)型式和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。
 

　　2纖維復(fù)合材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

　　2.1纖維材料增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用在建筑業(yè)中，混凝土是一種不可或缺的材料，它的用量也較大，一般多以鋼筋來增強(qiáng)，但由于鋼筋本身易受酸堿作用產(chǎn)生腐蝕，從而對(duì)混凝土造成破壞，因此有必要尋求新的混凝土產(chǎn)品。

　　纖維混凝土是在對(duì)混凝土的創(chuàng)新過程中應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)品，最早使用的多為鋼纖維、玻璃纖維和維綸增強(qiáng)混凝土。目前使用的較為新型的有碳纖維、芳綸和丙綸混凝土。在纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維用來充當(dāng)增強(qiáng)材料，纖維的本身性能如強(qiáng)度、模量、斷裂長(zhǎng)度等和纖維在此中的空間結(jié)構(gòu)、體積含量等都決定著混凝土的性能。纖維增強(qiáng)混凝土分為短纖維增強(qiáng)混凝土和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土。

　　短纖維增強(qiáng)混凝土中的纖維一般切成幾毫米至幾十毫米長(zhǎng)度，隨機(jī)摻人砂漿基材之中，可以替代或部分替代鋼筋。與傳統(tǒng)混凝土相比，它的拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度大，防裂性能好，多用于內(nèi)外裝飾板材和部件。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土多采用連續(xù)碳纖維、芳綸等制成棒狀、網(wǎng)狀或三維異型織物，用環(huán)氧樹脂或乙烯酯樹脂制成纖維增強(qiáng)塑料骨架，以替代鋼筋構(gòu)成新型復(fù)合混凝土材料，常用作墻板、護(hù)墻板和主體建筑物。一般來說，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土的性能優(yōu)于短纖維增強(qiáng)混凝土。

　　2.1.1常用各種不同類型纖維混凝土的特點(diǎn)傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移，其腐蝕、劣化問題不斷發(fā)生，其中以鋼材銹蝕最為常見。這不僅影響到工程結(jié)構(gòu)的正常使用和壽命，還會(huì)產(chǎn)生工程安全事故及隱患。鋼纖維由于成本高，易腐蝕，應(yīng)用有限；玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高于鋼筋，其重量只有鋼筋的四分之一，受水泥和海水的侵蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼筋，但玻璃纖維易折斷，不耐堿，應(yīng)用有污染；丙綸加工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能優(yōu)異，丙綸增強(qiáng)混凝土很好地解決了建筑生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，避免和減少了鋼材銹蝕事故的發(fā)生，近年來得到推廣應(yīng)用。碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、高硬度的多種特點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，導(dǎo)電導(dǎo)磁，能耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，與混凝土粘結(jié)良好，但碳纖維因?yàn)閷?dǎo)電導(dǎo)磁有些建筑不能應(yīng)用，且碳纖維成本較高；芳綸輕質(zhì)高強(qiáng)，柔韌性好，力學(xué)性能介于碳纖維和玻璃纖維之間，而且是電場(chǎng)、磁場(chǎng)的絕緣體，不會(huì)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，但芳綸價(jià)格也高。新型纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用逐漸增多。

　　2.1.2功能、智能纖維混凝土隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，混凝土材料不僅要承受荷載，還要適應(yīng)多功能和智能建筑的需求。纖維復(fù)合材料應(yīng)用于功能／智能混凝土主要有：屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料、水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料、應(yīng)變自感應(yīng)混凝土、溫差水泥基復(fù)合材料、自修復(fù)混凝土、導(dǎo)電水泥混凝土等。

　　（1）屏蔽磁場(chǎng)水泥基復(fù)合材料：為了使路面和建筑物具有屏蔽磁場(chǎng)的功能，一般采用在混凝土中加入別針形的鋼纖維來達(dá)到屏蔽作用。研究結(jié)果表明，在混凝土中摻人5％（體積）的鋼質(zhì)別針即可獲得較好的屏蔽磁場(chǎng)效果。

　　（3）應(yīng)變自感應(yīng)混凝土：該類型纖維混凝土是將碳纖維等物質(zhì)均勻分散摻入到水泥基材中，使其具有自感知其內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。如美國學(xué)者將短切碳纖維摻入混凝土材料中，使其可以敏感有效地監(jiān)測(cè)拉、彎、壓等各種狀態(tài)下材料的內(nèi)部情況。

　　（2）水泥基屏蔽電磁波復(fù)合材料：這種纖維水泥復(fù)合材料是在水泥基中加入纖維（如碳、鋁、鋼等）來獲得屏蔽電磁波的功能。日本學(xué)者采用纖維氈作為吸附電磁波的功能組分，制作了輕質(zhì)兼有防震功能且對(duì)電磁波吸收可達(dá)90％以上的幕墻。

　　此外，文獻(xiàn)表明該類型纖維復(fù)合材料不僅有屏蔽電磁波的功能，還能用于近年發(fā)展起來的智能交通系統(tǒng)導(dǎo)航。

　�。�4）溫差水泥基復(fù)合材料：該材料的制備機(jī)理是將切短的碳纖維適量摻入混凝土材料中使其具有熱電效應(yīng)，利用這種混凝土材料能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)外和路面表層、底層的溫度變化以及為建筑物提供電能。

　�。�5）自修復(fù)混凝土：該混凝土將含有粘結(jié)劑溶液的玻璃空心纖維混入混凝土，混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂后，玻璃空心纖維就會(huì)破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，達(dá)到愈傷的效果。此外，美國還根據(jù)動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試制備仿生混凝土材料。其基本原理是采用磷酸鈣水泥（含有單聚物）為基體材料，其中加入多孑L的編織纖維網(wǎng)，利用多孑L纖維在水泥水化和硬化過程中釋放出聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，聚合反應(yīng)留下的水分參與水泥水化，使纖維網(wǎng)的表面形成大量互相穿插粘結(jié)的有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)，制成類似動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)的無機(jī)有機(jī)相結(jié)合的復(fù)合材料。同時(shí)當(dāng)混凝土發(fā)生損傷時(shí)，多孑L有機(jī)纖維會(huì)釋放聚合反應(yīng)引發(fā)劑，與單聚物聚合成高聚物，使損傷愈合。

　�。�6）導(dǎo)電水泥混凝土：在水泥基體中摻入適量纖維導(dǎo)電材料碳纖維或金屬纖維，不僅可以使水泥基復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，還能改善它的力學(xué)性能，增加延展性。導(dǎo)電水泥混凝土可應(yīng)用于工業(yè)防靜電結(jié)構(gòu)，道路路面處的化雪除冰，住宅的電熱結(jié)構(gòu)。
 

　　2.2纖維復(fù)合材料的涂層織物在建筑材料方面的應(yīng)用涂層織物是在織物上覆蓋一層高分子涂層劑或其他材料而得的復(fù)合材料。作為底布的織物起著骨架的作用，承擔(dān)著復(fù)合材料的抗張強(qiáng)力、撕裂強(qiáng)力、尺寸穩(wěn)定性等方面的功能；涂層劑則承擔(dān)著保護(hù)底布組織以及表面特性（如防水、耐蝕）的職能。基布是涂層織物的骨架，它的性能影響著最終產(chǎn)品的性能�；�布最初多用棉織物，但由于棉織物易霉、怕腐蝕，布身重，使用壽命短，故隨著化纖業(yè)的發(fā)展逐漸棄用，開始大量采用維綸、滌綸、錦綸等，芳綸、玻璃纖維制作基布效果也較為理想，但因成本高不宜于大量使用。在制成織物上，實(shí)際應(yīng)用中仍以機(jī)織物為多。這是由于機(jī)織物的拉伸強(qiáng)度和模量比較高，斷裂伸長(zhǎng)小，具有較好的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，且織物受外力后抗變形能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)孔徑均勻，孔隙尺寸易控制。涂層劑的選擇品種很多，它賦予涂層織物以不同的性能，比如有機(jī)硅可使涂層織物具有透濕性，同時(shí)又具有防水性；聚丙烯酸酯涂層劑則有良好的耐光熱性。所以應(yīng)根據(jù)涂層織物的應(yīng)用場(chǎng)合不同，選擇涂層劑。涂層織物在建筑中主要用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、篷蓋布、軟性屋頂?shù)取?/div>

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