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纤维复合材料在土木建筑工程中的应用进展
摘 要:纤维复合材料具有高强、轻质、抗腐蚀和耐疲劳等特点,在土木建筑工程中可替代传统的混凝土、木结构、钢和钢筋材料。介绍了在土木建筑工程中纤维复合材料的主要类型及其应用优势和现状,对存在的问题进行了简要叙述。
随着世界军工生产与航空航天而发展起来的纤维复合材料,由于具有良好而独特的性能,适应了现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展,以及承受恶劣条件的需要,在土木建筑工程中的应用日益扩大。如用于纤维混凝土和结构的补强加固、建筑物柱和桥梁桥墩加固、满足近海建筑物结构的抗腐蚀要求等,此外将智能复合材料应用于土木建筑工程时,还可以实现桥梁、高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能。纤维复合材料替代传统建材应用于土木建筑工程,既为纺织行业的发展开辟了新的发展领域,注入了新的活力,同时也为土木建筑业解决一些技术难题如能耗大、不利于环境保护等,提供了新的途径。
1 纤维复合材料在土建工程中的优势
纤维复合材料具有传统的建筑材料无法比拟的优点。
(1) 材料性能的可设计性。纤维复合材料作为结构材料应用时,由于其是基体材料和增强材料等组分材料在宏观上的物理组合,其性能既可保持原组分材料的某些特点,又能发挥组合后的新特性,且可根据结构需要进行设计,以满足单一材料无法达到的性能要求。
(2) 高的比强度和比刚度。一些纤维复合材料如碳纤维T300/ 环氧5208 的比强度是铝材的6. 3 倍、钢的5 倍,比刚度为铝材的4. 16 倍,因此在土木建筑工程中使用可缩短工期和降低工程复杂性。
(3) 抗疲劳性能好。一般金属的疲劳强度为拉伸强度的40 %~50 % ,而某些纤维复合材料的疲劳强度可达其拉伸强度的70 %~80 %。
(4) 良好的抗化学反应和化学腐蚀性。传统建材如钢筋等不耐腐蚀,尤其在近海工程中,较易与工程周围的空气、海水以及污水中的化学物质发生反应,使土木工程不能发挥应有的作用而引起巨大的损失。而大部分纤维复合材料是优良的电绝缘材料,用其制作的设备或构件一般具有良好的耐酸、碱、盐等化学介质侵蚀的能力。
(5) 良好的抗震性能。纤维复合材料相对传统建材自振频率甚高,不易出现共振,且在通常加载速度和频率条件下不容易出现因共振而快速脆断的现象;同时因为其存在大量的界面,振动阻尼性也很大,一旦激起振动,衰减也快。
(6) 过载安全性好。在纤维复合材料中,由于有大量独立的纤维,当过载时复合材料中即使有少量纤维断裂,载荷都会迅速重新分配到未被损坏的纤维上,不至于造成土木建筑工程中的构件在瞬间丧失承载能力而断裂。
(7) 高美学欣赏性。纤维复合材料组分中的材料纤维是柔软的,树脂是可以流动的,其产品的形状几乎不受限制,还可以任意着色,从而达到结构型式和材料美学的高度统一。
(8) 结构功能/ 智能化。在土木建筑工程中应用智能纤维材料,还可以使结构具有一定的智能。例如美国人在建筑物使用智能复合材料制作的梁,在热电控制下,能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化,从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率,减小振幅,使框架结构的寿命大大延长,达到了建筑物结构噪声与振动的主动控制。
2 纤维复合材料在土建工程中的主要类型和应用
2.1 纤维混凝土复合材料
在土木建材领域中,水泥混凝土是使用最大宗的建筑材料,但水泥有脆性大、抗拉强度低、抗冲击性差等缺点。在水泥基体中加入纤维(钢纤维、碳纤维、芳纶纤维以及智能纤维等) 形成的水泥基纤维复合材料则赋予了混凝土高强度、高韧性、高阻裂、高耐久,体积稳定性、功能化和智能化等优点。
2.1.1 纤维增强混凝土
纤维增强混凝土就是将某些抗碱性强、力学性能优良的合成纤维用不同方式与水泥砂浆或混凝土相复合,能在不同程度上改善后者的力学与物理性能,并提高它们的使用价值和耐久性。其理论基础来源于“纤维阻裂机理”(或称纤维间距理论) 和“复合材料机理” 。这两种理论的提出极大地促进了纤维混凝土的发展。1970 年初,钢纤维增强复合材料作为最早的纤维增强水泥和混凝土实用化产品应用于土木工程中,而后相继出现了玻璃纤维混凝土、Aramid 纤维混凝土、Kelver 纤维混凝土、C纤维增强混凝土,其中以C 纤维增强混凝土性能最优,具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能,在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。用碳纤维取代钢筋或钢丝,可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用,使建筑构件重量减轻,安装施工方便,缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗弯强度提高十几倍。有研究表明,只要在水泥混凝土中混入0. 5 %~3 %的碳纤维,就可以有效地改善混
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