臧德厚

（山東中煙工業(yè)公司頤中（煙草）集團(tuán)有限公司 山東青島 266000）

鋼筋和混凝土作為建筑工程傳統(tǒng)施工材料，展示出了其優(yōu)異的力學(xué)性能，保證了國(guó)民建筑工程質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐漸由航空領(lǐng)域推廣應(yīng)用到建筑領(lǐng)域。該種材料不僅降低了建筑工程造價(jià)，還大幅提高了工程質(zhì)量，推動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在受到溫度、濕度、氯離子等因素影響時(shí)，由于混凝土呈堿性，導(dǎo)致其逐漸被中性化，從而使得鋼筋失去保護(hù)受到腐蝕，降低了建筑工程結(jié)構(gòu)壽命和耐久性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，提出了一些技術(shù)措施以降低其腐蝕程度，如采用鋼筋阻銹劑、電鍍鋼筋保護(hù)膜、鋼筋表面進(jìn)行環(huán)氧涂層等。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)建筑工程產(chǎn)生重要影響。

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

碳纖維材料質(zhì)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(jī)械吊裝設(shè)備，不僅施工步驟簡(jiǎn)單，還可以縮短工時(shí)，施工操作簡(jiǎn)便易行。

復(fù)合材料成型工藝具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過熱壓罐工藝可實(shí)現(xiàn)高精度一次成型，為建筑設(shè)計(jì)和創(chuàng)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(gòu)件或整體組裝結(jié)構(gòu)等。

2 工程應(yīng)用

2.1 巖土工程

巖土工程施工過程中，一般面臨復(fù)雜地質(zhì)體，常會(huì)出現(xiàn)坍塌、地面沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，需要構(gòu)造防護(hù)墻、支護(hù)網(wǎng)、錨固工程等保護(hù)措施。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)錨桿由于地下水對(duì)鋼錨桿產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕使得錨固工程質(zhì)量耐久性下降。碳纖維增強(qiáng)聚合筋具有良好的耐腐蝕性能，在進(jìn)行巖土工程錨固時(shí)可以廣泛使用。

2.2 橋梁工程

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

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(duì)抗震等級(jí)要求高的橋梁結(jié)構(gòu)中。

2.3 海洋工程

海洋工程結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)耐久性低?？梢圆捎锰祭w維增強(qiáng)聚合筋取代鋼筋，以解決海洋工程結(jié)構(gòu)耐久性問題，延長(zhǎng)工程使用壽命。

2.4 加固工程

混凝土結(jié)構(gòu)在地震、海嘯等自然災(zāi)害后，需進(jìn)行檢測(cè)和加固，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的要求，并延長(zhǎng)其使用年限。傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)材料一般為鋼板，不僅自重大且易被腐蝕。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有良好的抗拉強(qiáng)度和耐久性，可以通過粘貼碳纖維增強(qiáng)聚合布等工藝進(jìn)行加固。

2.5 寒冷、潮濕環(huán)境工程

在寒冷、潮濕環(huán)境中，鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)建成后的維護(hù)費(fèi)用較高，一般對(duì)于該類地區(qū)擬建項(xiàng)目，在保證工程質(zhì)量的前提下，需要面對(duì)如何縮短建設(shè)周期、減少維護(hù)費(fèi)用等技術(shù)問題。有些工程項(xiàng)目通過采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聚合物筋混凝土結(jié)構(gòu)取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降低維護(hù)成本。

2.6 空間結(jié)構(gòu)工程

網(wǎng)架或網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)中采用輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕的材料已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。英國(guó)建造了幾處網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有的是嘗試性地用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物桿件代替部分鋼構(gòu)，有的是使用玻璃纖維增強(qiáng)聚合板作為受力或部分受力構(gòu)件，但是由于玻璃纖維增強(qiáng)聚合物本身材料的限制，如彈性模量低、節(jié)點(diǎn)難處理等因素，導(dǎo)致復(fù)合材料在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)不能體現(xiàn)，所以在此結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，日本開發(fā)研制成功一種帶有鋁合金接頭碳纖維增強(qiáng)聚合卷管。用于網(wǎng)架的碳纖維增強(qiáng)聚合桿件是由碳纖維增強(qiáng)聚合片材以不同的角度層疊粘貼而成。建造完成后，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)聚合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重量?jī)H為鋼網(wǎng)架的1/5～1/4，相比鋼網(wǎng)架維護(hù)費(fèi)用低，維護(hù)費(fèi)用是鋼網(wǎng)架的1/5?，F(xiàn)在采用纖維增強(qiáng)聚合薄板條的新型大跨空間結(jié)構(gòu)體系，利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，使整個(gè)結(jié)構(gòu)具備足夠的幾何剛度，因?yàn)椴捎妙愃凭幹裣幙椃椒ㄊ估w維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度得到發(fā)揮，而且可以獲得特殊的建筑效果，是一種高效的結(jié)構(gòu)體系。

2.7 模板工程

復(fù)合材料模板是在原有塑料模板的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，可以提高房屋建筑工程混凝土的施工質(zhì)量，降低工程成本、縮短工期以及提升現(xiàn)場(chǎng)安全文明。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋中纖維占比較高，比傳統(tǒng)的鋼筋材料強(qiáng)度更高，可通過施加預(yù)應(yīng)力提高其與混凝土的粘結(jié)程度。通過纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土或木材的組合，形成多種結(jié)構(gòu)類型，性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍也比較廣泛。

3.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管-混凝土

對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管內(nèi)填充混凝土形成組合結(jié)構(gòu)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的約束，還能提高整體施工速率，并具有耐用性強(qiáng)、持久性好等優(yōu)點(diǎn)，既可以用于作樁、柱，也能夠作梁，提高了整體建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，提高了其負(fù)載能力，并有效降低了自身重量。

3.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料-鋁合金組合構(gòu)件

將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)在鋁合金管的外表面，充分彌補(bǔ)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料脆性且不易連接的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、耐腐蝕的優(yōu)良特性，該類結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)中。

3.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料-木組合構(gòu)件

將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和木材進(jìn)行合理結(jié)合，充分利用自身受力特點(diǎn)，提高抗火等級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量更輕，耐腐蝕性更好，與全纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件相比負(fù)載耐受能力更強(qiáng)，成本支出較低，因此應(yīng)用前景也更大。

4 推廣應(yīng)用瓶頸

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最初廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，近幾年才拓展應(yīng)用于建筑行業(yè)，作為一種新型的輕質(zhì)材料，其生產(chǎn)工藝仍處于發(fā)展階段，制造過程復(fù)雜，成本投入高，尤其在未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的試制階段，需要投入更高的成本才能最終定型生產(chǎn)，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料出現(xiàn)報(bào)廢或壽命終結(jié)后，不能有效回收，其回收成本較高，也阻礙了其應(yīng)用的推廣。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑行業(yè)的損傷檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)機(jī)制尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料作為先進(jìn)材料，其自身強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命及損傷程度等決定了建筑工程的施工質(zhì)量，在施工過程中，如果不能及時(shí)有效地對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)探傷，那么將很難保證建筑施工質(zhì)量。我國(guó)建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目前缺乏對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件等的建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法、標(biāo)準(zhǔn)及配套的完整修復(fù)規(guī)范，這也是限制該種材料進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的瓶頸。

現(xiàn)常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料錨具需專門在制作工廠里定制生產(chǎn)，質(zhì)量不穩(wěn)定而且投資較高，還需要深入對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)應(yīng)力錨具進(jìn)行研究?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程基本理論與設(shè)計(jì)方法中一般要求進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，針對(duì)脆性破壞的聚合筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的延性問題目前還沒有明確的、可控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的延性指標(biāo)。對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能、延性研究缺少系統(tǒng)性，也限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在建筑工程中應(yīng)用廣泛，對(duì)提高整體工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度等起到了積極的推動(dòng)作用。隨著紡織工藝及復(fù)合材料成型技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料性能不斷提高，不僅在航空航天等軍工領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，在建筑工程等民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，并進(jìn)一步推進(jìn)建筑工程領(lǐng)域針對(duì)復(fù)合材料檢測(cè)和修復(fù)的規(guī)范制定。