【摘要】隨著建筑工程領域技術的發(fā)展，復合纖維材料的應用越來越廣泛。耐久性和抗腐性、輕質性和可塑性成為復合纖維材料的重要特征。纖維材料是將各種高性能纖維作為增強的性質，與基材通過纏繞或拉擠等方式成型得到的復合材料，復合材料在建筑中表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料。高分子量纖維能顯著提升混凝土的劈裂抗拉性能，纖維混凝土構件的整體破壞形態(tài)較普通混凝土構件有所改善，抗彎承載能力也有所提高。經研究表明，復合纖維材料在現(xiàn)代建筑行業(yè)中具有廣泛的潛力，在建筑設計、結構強度和環(huán)境友好等方面貢獻突出。

【關鍵詞】纖維材料；地震抗性；建筑外墻設計

【中圖分類號】TU599" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）23-0166-03

0 引言

建筑行業(yè)迅猛發(fā)展，人們對住房的面積和質量提出了更高的要求。建筑工程建設的目的是改善施工條件，加快施工進度，降低造價，提升質量，節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境，提升技術和經濟水平，為了達到這個目的，建筑企業(yè)改進已有的材料，開發(fā)出新的建筑材料。其中，復合纖維材料在建筑領域得到越來越多的應用和研究，由于其優(yōu)良的性能，能夠滿足現(xiàn)代建筑工程的需求，使建筑工程結構向大跨度、重載、高強、輕型等方面發(fā)展[1-2]。在建筑施工過程中，人們使用的復合材料主要有三種類型：金屬（金屬復合材料）、非金屬（金屬復合材料）和非金屬復合材料。復合纖維材料以其獨特的特性和優(yōu)勢，作為一種新的建材，為建筑業(yè)的發(fā)展提供了許多變革和可能性，不僅為建筑行業(yè)開辟發(fā)展道路，還為其解決能源消耗、污染環(huán)境等問題提供新思路。

目前，纖維復合材料由于其良好的耐久性和抗腐性，已被廣泛地應用于建筑行業(yè)，主要使用的是碳纖維、芳綸纖維等，兩種材料均具有較高的強度，較大的粒徑，較好的抗腐蝕性。例如，在一些災害后的重建項目中，使用纖維復合材料對混凝土管進行修復、加固[3]。在實際工程中，通常使用結構膠，將復合纖維材料粘附于混凝土表層，形成一個整體的復合斷面，以實現(xiàn)對混凝土的加固[4]。在國內的土木工程中，隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，纖維復合材料在土木建筑工程中的應用呈逐年遞增的趨勢。

總體而言，復合纖維材料在現(xiàn)代建筑行業(yè)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值，通過充分發(fā)揮其特性和優(yōu)勢，可以促進建筑設計創(chuàng)新、提高結構強度、實現(xiàn)環(huán)境友好?？梢詾榻ㄖ袠I(yè)提供更高質量、更安全和更可持續(xù)的解決方案。這將促進建筑領域的可持續(xù)發(fā)展，并滿足未來建筑物對性能和質量的更高要求。未來的研究應該聚焦于復合纖維材料的性能驗證、施工技術改進、成本效益分析和可持續(xù)性評估，以推動其在現(xiàn)代建筑行業(yè)的廣泛應用。

1 復合纖維材料的特征

1.1 復合纖維材料特點

①高強度[5]：復合材料通常由高強度的纖維增強材料和基體材料組成，使其具有比傳統(tǒng)材料更高的抗拉、抗壓和抗彎能力。②輕質：由于組成復合材料的纖維材料通常非常輕，使得整體材料相對輕盈，適用于建筑結構的重量限制。③抗腐蝕：復合材料可以具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，特別是在面對潮濕、酸堿等惡劣環(huán)境條件下，相對于金屬材料來說更加耐久。④耐久性：復合材料在長時間的使用和暴露下通常具有較好的耐久性，不易受到磨損和老化的影響。⑤熱穩(wěn)定性 ：一些復合材料具有良好的熱穩(wěn)定性，可以在高溫環(huán)境下保持結構的強度和性能。⑥絕緣性能：由于復合材料中通常包含絕緣性能良好的纖維材料，使其在電氣和熱導方面表現(xiàn)出良好的絕緣性能。⑦模塊化設計：許多復合建筑纖維材料具有模塊化設計，這意味著它們可以輕松地組裝和拆卸，以適應不同的建筑需求。⑧隔聲和吸音性能：某些復合建筑纖維材料具有良好的隔聲和吸音性能，可以有效地減少來自外部環(huán)境的噪聲。⑨耐火性：一些復合材料具有良好的耐火性能，能夠抵抗火災和高溫環(huán)境，提供更高的安全性。⑩可塑性和可定制性：復合建筑纖維材料可以靈活地定制和加工，以符合不同的建筑設計需求，并可用于各種形狀和結構的構建。

1.2 纖維材料的設計施工特點

復合纖維材料在建筑設計中具有廣泛的應用潛力。首先，在結構設計方面，復合纖維材料能夠提供更高的抗拉、抗壓和抗彎強度，同時減輕了結構的自重，減少了建筑材料的使用量[6]。其次，在建筑外墻方面，復合纖維材料可以實現(xiàn)更復雜的形狀和設計，同時提供良好的隔熱和隔音性能，提高建筑的能源效率和居住舒適度。此外，在屋頂和地面方面，通過使用復合纖維材料可以實現(xiàn)更輕盈、堅固和耐久的構造，減少維護和修復的成本。

復合纖維材料在結構強度方面也具有很大的優(yōu)勢。由于其纖維材料的高強度和剛度，復合纖維材料能夠有效地抵抗地震、風、火災等自然災害。在抗震性能方面，復合纖維材料的高強度和輕質特性使得建筑結構能夠更好地吸收和分散地震能量，減少震害和損壞。在抗風性能方面，復合纖維材料的高強度和耐久性可以有效地抵抗風力對建筑結構的作用，提供更好的風險防護和結構穩(wěn)定[7]。以環(huán)保為導向的建筑需求日益增長，復合纖維材料能夠滿足這一需求。同時，復合纖維材料的耐久性和抗腐性也減少了維護和修復的需求，延長了建筑的使用壽命[8]。此外，復合纖維材料的可回收性和可再利用性也符合可持續(xù)發(fā)展的要求，減少了廢棄物的產生和對環(huán)境的影響。

然而，復合纖維材料在現(xiàn)代建筑行業(yè)中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，復合纖維材料的制造和施工技術相對較新，需要進一步研究和發(fā)展，以確保其質量和性能的穩(wěn)定性。其次，復合纖維材料的成本相對較高，需要更多的投資和成本效益分析。此外，復合纖維材料的可持續(xù)性評估和認證標準還需要進一步完善，以確保其真正符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

總體而言，復合纖維材料在現(xiàn)代建筑行業(yè)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值。通過充分發(fā)揮其特性和優(yōu)勢，復合纖維材料可以促進建筑設計創(chuàng)新、提高結構強度。未來的研究應該聚焦于復合纖維材料的性能驗證、施工技術改進、成本效益分析和可持續(xù)性評估等方面，以推動其在現(xiàn)代建筑行業(yè)的廣泛應用和發(fā)展。

2 復合纖維材料的發(fā)展

2.1 復合纖維研究發(fā)展

在國際上，已對其進行了較為系統(tǒng)的研究。早在20多年前，日本就已經在高樓大廈中使用了復合纖維。美國的“混凝土協(xié)會”就是為了這個目的而成立的，在此之前，美國就有多家科研單位，也將目光投向了復合材料在土木工程上的應用，也紛紛制定了相應的標準，設立了相應的科研基地。美國佛羅里達大學的研究表明，在環(huán)氧樹脂等高聚物中，竹質纖維與其他高聚物共混，可獲得具有阻燃、抗腐蝕、抗紫外等優(yōu)異性能的竹質復合材料[9]。竹纖維復合材料因其獨特的材料成分及節(jié)能減排等特點，對混凝土、木材、鋼筋等傳統(tǒng)材料構成了極大的挑戰(zhàn)，在建筑中具有很大的應用潛力，有望引起建筑業(yè)材料的變革。

我國土木工程中有關纖維材料的研究從1996年以后才開始，并且多側重于纖維復合材料的薄片加固和混凝土結構的修補。在此基礎上，對FRP在土木工程中的應用進行了深入的研究。此后，包括清華大學，哈爾濱工程大學在內的十多所國內著名高校相繼參與了該項目的研制，極大地促進了該領域的發(fā)展。

2.2 復合纖維性能改善

復合材料是將兩種或更多性能不同的材料通過物理化學處理而形成的一種新型材料，通常同時具有其自身的優(yōu)異性能。加入纖維后，其抗拉強度、抗裂性能均有明顯的改善，且對其延展性、韌性均有明顯的增強作用。采用纖維增強水泥基材料，可提高水泥基材料的抗裂能力和耐久性。

在建筑用材方面，采用碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維等為增強體，將其與水泥基材相結合，可獲得不同特性的纖維混凝土復合材料，使其受力、變形性能得到顯著改善，因而得到廣泛使用[10]。新型建筑有望成為我國建筑用復合材料的主要應用領域。近年來，越來越多的新型建筑的出現(xiàn)刺激了復合材料的需求，建筑新材料包括建筑熱工復合材料、聚合物改性水泥基復合材料等通用技術類建筑材料，以及高分子復合材料、功能性樹脂合成材料等功能型特種建筑材料。典型材料如鋼纖維混凝土由于其良好的強度、剛度和柔性，能夠對構件的延性進行優(yōu)化，被廣泛用于建筑的梁柱節(jié)點、轉換層大梁、剪力墻等部位。PFRC因其優(yōu)良的抗裂特性而被廣泛應用于大型基礎、柱子、屋頂面層等工程中，新型結構材料將成為主要應用領域，對于復合結構的要求也越來越高。

3 復合纖維材料在建筑中的應用

3.1 纖維在建筑中的分類

保溫建筑材料在降低能耗、保持建筑內部舒適環(huán)境起著重要作用。據(jù)統(tǒng)計，建筑部門貢獻了全球能源消耗總量的40%[11]。全球不可再生燃料危機將在未來幾年內影響整個世界，許多國家都在注重使用更好的保溫材料來提高建筑材料節(jié)能和能源使用效率，特別是通過減少供暖―制冷過程中的能源損失來實現(xiàn)節(jié)能。但傳統(tǒng)的保溫材料具有一定的局限性，對環(huán)境不友好、不可生物降解、機械穩(wěn)定性較差，并且由不可再生資源制成。相比于傳統(tǒng)保溫材料，生物質衍生的纖維素氣凝膠具有低熱導率、高比表面積、高孔隙率、低成本和生物相容性等優(yōu)越的物理和化學特性。此外，纖維素是地球上最豐富的有機聚合物，是自然界中分布最廣且含量最多的一種多糖，是組成植物細胞壁的主要成分，易從木材中獲得。隨著智能建筑對可再生保溫材料的需求不斷增長，生物質基纖維素氣凝膠成為具有可生物降解性、廉價和可持續(xù)性的下一代保溫材料[12-13]。重點介紹了生物質基纖維素保溫氣凝膠的制備方法、性能及其保溫機理，生物質基纖維素氣凝膠及其在建筑材料（玻璃、屋頂和墻板等）中的應用，最后簡要討論了生物質基纖維素氣凝膠在保溫材料應用中面臨的挑戰(zhàn)。

3.2 復合纖維試驗

張玉武、張國偉[14-15]等在混凝土中摻入超高分子量聚乙烯纖維，研究發(fā)現(xiàn)，纖維對劈裂抗拉性能有明顯提高作用，但纖維含量對其單軸向抗壓強度無顯著影響，且隨著纖維含量的增大，峰值應變和泊松比增大，彈性模量減小；混凝土雙軸受壓力學性能在不同凍融條件下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當凍融次數(shù)增長，試件的單、雙軸抗壓強度降低。當逐漸提升試驗過程中的凍融次數(shù)，混凝土試件的彈性模量表現(xiàn)出降低的趨勢。張勤[16]等人以耐堿玻璃纖維混凝土制成的構件進行彎矩試驗，發(fā)現(xiàn)耐堿玻璃纖維混凝土構件的整體破壞形態(tài)較普通混凝土構件有所改善，抗彎承載能力也有所提高。

王剛[17]通過外加高分子材料而形成的涂層，經過大量的研究，對材料賦予了隔熱、消毒、滅菌等性能，使其具有更高的開發(fā)價值與實用性?？梢酝瑫r實現(xiàn)多種功能，以滿足建設的使用需要，從而大大地節(jié)省了建造的費用，并促使施工過程更加簡單。傳統(tǒng)的建筑施工材料，往往具有比較單一的功能，具有更高的可操作性。這主要是因為以前的材料功能比較單一，需要進行多個構造，而現(xiàn)在使用的是一種新型復合材料，可以一次構造，就可以完成多個功能。采用這種新型復合材料進行建筑施工，能夠大大節(jié)省建筑工程的工期、人力、物力，是一種滿足現(xiàn)代社會發(fā)展需要的建筑材料。

4 結語

纖維復合材料因其優(yōu)良的力學性能、耐腐蝕性能及結構可設計性等特點，在保障建筑結構的安全性上有很大的應用前景。這種新型的建筑材料替代了傳統(tǒng)的建筑材料，既減少了對環(huán)境的污染，又大大提高了建筑工程的總體質量。同時，實現(xiàn)建筑功能的多樣化，對建設項目的質量、經濟效益等方面的綜合優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實意義。當前，纖維材料被廣泛地應用于建筑的混凝土，在替代傳統(tǒng)的高污染、低性能的建材的同時，雖然已經開發(fā)出了新的建筑材料，但是還存在著許多亟待解決的問題，所以，我們必須對纖維復合材料等新型建材進行進一步的研究，科學、合理地選擇纖維復合材料等新型建材，以便更好地應用于建筑工程，從而提升建筑工程的質量，促進建筑行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1] 張新影，王雪，崔彥，等.建筑節(jié)能用玻纖復合材料的制

備及其性能研究[J].功能材料，2023，54（06）：155-160.

[2] 劉紹華，李曉琳，張佩，等.高性能纖維金屬化的研究與

應用進展[J].電鍍與涂飾，2023，42（11）：23-30.

[3] 李珊珊，李秀領，郭強，等.纖維再生微粉混凝土抗彎與

抗碳化性能試驗研究[J].混凝土，2023（05）108- 112.

[4] 邵海林，胡宇祥，李娜，等.纖維混凝土模型的建模方法

與力學性能分析[J].科技風，2023（22）：61-63.

[5] 徐樑華，王宇.國產高性能聚丙烯腈基碳纖維技術特點及

發(fā)展趨勢[J].科技導報，2018，36（19）：43-51.

[6] 董小靜.紡織纖維增強復合材料加固混凝土的研究進展

[J].棉紡織技術，2014，42（04）：78-81.

[7] 朱再斌，凌輝，楊小平，等.碳納米管膜層間增強增剛碳

纖維增強樹脂基復合材料的壓縮強度與導熱性能[J].

復合材料學報：1-16.

[8] 張靈靈.碳纖維加固的材料及其各項性能分析[J].居舍，

2023（14）：81-83.

[9] 郭春花.先進纖維新材料將力推行業(yè)“雙碳”發(fā)展[J].

紡織服裝周刊，2022（42）：20-21.

[10] 胡維芬.改性聚乙烯醇纖維混凝土特性及在重大水電工

程中的應用[J].云南水力發(fā)電，2023，39（08）：322-

326.

[11] 林飛燕.建筑墻體的纖維增強聚氨酯保溫材料制備及性

能研究[J].磚瓦，2022（10）：144-146.

[12] 劉金宇，賈勇星，溫變英，等.生物降解聚酯/秸稈纖維

全生物降解復合材料研究進展[J].中國塑料，2022，

36（11）：183-191.

[13] 王碩，康海婷，孫加振.植物纖維材料的結構特點及其

作為3D打印墨水的應用[J].網印工業(yè)，2022（Z2）：

55-57.

[14] 張玉武，晏麓暉，梁喬恒，等.超高分子量聚乙烯纖維

混凝土靜態(tài)力學性能研究[J].工程科學與技術，2017，

49（S2）：257-262.

[15] 張國偉，宋佳曄，薛紅京，等.預應力碳纖維織物增強

混凝土板加固RC梁抗彎性能研究[J].工程力學 ：1-11.

[16] 張勤，朱瀟鵬，代歡歡，等.耐堿玻璃纖維ECC復合材

料受壓應力–應變關系[J].工程科學與技術，2022，

54（05）：82-92.

[17] 王剛，金智康，宋俊杰，等.復合涂層對玻璃纖維增強

尼龍6復合材料界面性能的影響[J].復合材料學報：

1-16.

[作者簡介]李飛（1993 —），男，貴州銅仁人，大專，研究方向：巖土工程。