关于纤维复合材料在土木建筑工程应用

       纤维复合材料从20世纪60年代就开始应用于建筑业之中，那时只用做建筑物的预制组件、屋顶材料等，如火车站站台一类建筑。一般站台顶长50m，宽8～9m，纤维复合材料非常适合制作轻质高强的要求。1999年在瑞士Basel的一座5层建筑是使用纤维复合材料构件建筑精品。这座建筑的框架、门窗及部分室内设施完全由纤维复合材料组成。它的成功应用实践了纤维复合材料在中型建筑的应用。
　　在近些年来，纤维复合材料由于它特有的功能，被引入土木建筑的基础结构中，主要应用在高速公路、隧道、港口、桥梁、沟槽、护堤壁、机场、水坝、水处理设施及下水道工程。据统计现已占纤维复合材料市场的30%左右。这主要源于纤维复合材料的特殊性质，它自身结实而有刚性，提供了优良的比强度及高抗蠕变性，优越的抗候性与温度变化的承受力，抗紫外线、潮湿及大气污染，高抗冲击强度，同时，选择合适的树脂还可具有阻燃性，良好的尺寸稳定性及耐热性。用户可以从很广的范围中选择颜色与外型，具有很大的设计多变性。目前土木建筑结构中纤维复合材料新产品的使用开发主要有两大类，其一是用做混凝土钢筋，尤其是在那些防腐维修费用高的工程中；其二是修理或加固目前使用的混凝土结构，如受损的桥面或者提高基础的强度等，都可以应用纤维复合材料增强。
　　1　纤维复合材料与桥梁设计
　　在桥梁设计中，纤维复合材料已逐渐被土木工程师应用到设计中。步行桥是桥梁使用纤维复合材料的一个起点，尤其是由于地理环境复杂，大型起重设备无法进入的地区或，在这时纤维复合材料的使用价值就明显体现出来。利用它轻质高强的特点，桥的主体结构可以在制造厂中预装成构件，在现场只需进行安装。许多纤维复合材料步行桥在世界各地建造起来。例如，1992年苏格兰建成的一座113m长的斜拉桥，它是当时世界上第一座完全用挤拉复合材料建成的最长步行桥。1998年美国肯塔基州建成130m长的Sandy　River桥打破了这一纪录。而目前世界上最大、最长的车行纤维复合材料桥于2000年11月在美国西弗吉尼亚建成，桥面长58m，宽17m，使用增强纤维复合材料制成的梯形/六边形型材及美国亚什兰化学公司生产的聚氨酯粘合剂胶接制成。美国圣地亚哥加州大学为军队设计的一座浮桥充分揭示了增强纤维复合材料在基础结构中的潜在用途。这座桥跨距15·3m，以软木做芯材的碳纤维/环氧树脂结构仅重5500kg，比铝质的还轻，两片这样的桥面可以通过105t的军用履带运输车，而相应的铝桥载重仅70t。该桥桥面及侧壁使用的是JOHNSTON增强复合材料公司的12K碳纤维束及BALTEK公司生产的软木夹心芯材。采用SCRIMP工艺，环氧树脂以多注口低压注入到预成型的纤维布中，辅以真空袋成型，并在170℃固化。通过测试，承载了70t重的坦克及100t重的运输车进行了5000次的测试。纤维复合材料以自身的性能优势证明了它的应用前景。
　　2　纤维复合材料的补强作用
　　建筑界出于环保及经济的考虑，很希望在基础结构中使用简便而有效的结构补强技术。对于城市基础设施中最常见的钢混结构，使用外部粘接钢板补强的方法已经很多年。其不便之处在于钢板的运输与安装不便及钢板的易腐蚀。使用复合材料就克服了这方面的问题。在欧美一些国家，很多桥梁已使用了50年左右，桥梁结构已有破损。据统计，美国大约有100，000座桥梁需要彻底检修或更新；欧洲科学家们重点对早期在铁路沿线上建成的铸铁桥及钢铆钉桥进行了大量研究后认为，这些桥在全欧洲有100，000座，其中三分之一以上需要进行升级或补强以承载新发展起来的高速列车。因此，复合材料将大有用武之地，也为复合材料进一步推广提供了一个非常好的机会。
　　3　复合材料防护层的作用
　　另外一种对建筑物及桥梁的支柱、铁梁、钢梁加固的措施是对其外加保护层。建筑物支柱的外部增强使用纤维复合材料意义重大。加固的防护层能提高柱体的抗剪切及抗压缩应力，提高抗冲击性。这项应用在地震频发区如日本、台湾及美国的许多州已经逐步推广。美国旧金山、洛杉矶地震及日本阪神地震后，大批的建筑、高架桥、高速公路毁坏，因此这项技术最早是在美国及日本发展起来。约有150项补强新技术在日本、加拿大、美国用于实际施工中。超过3000座以上的桥已经用包括玻纤、芳纶纤维及碳纤维增强环氧或聚酯复合材料防护层进行了加固，我国近年地震灾害较大，也可以利用新兴的纤维复合材料进行加固维修。国外在对钢结构建筑的钢梁进行加固时，采用碳纤维/环氧树脂预浸工艺。这种方法可以在狭窄的环境下使用最简单的施工步骤。首先对钢梁表面进行处理，去除表面腐蚀层，清洗表面，去除油脂并涂硅胶衣以保持干燥；然后用环氧粘接剂喷涂在清洁而干燥的表面。将碳纤维预浸料沿着钢梁的形状放置好后，对其加热升温，促使树脂向纤维中渗透并充分固化；在预浸料固化期间，还要将其置于真空状态下强化复合材料层面，尽可能多地将空气去除。复合材料上施加的压力通过缠绕在钢梁上的真空袋获得，确保材料与钢梁在外形上保持一致。
　　4　结语
　　纤维复合材料的使用量在不断增长，尤其是在复古维修的建筑中，许多土木工程师都可以利用纤维复合材料不仅可以使建筑物的外貌焕然一新，而且可以极大的增强其强度。因此，虽然新型的纤维复合材料结构初期投入比较昂贵，但它的作用是其它原料不能比拟的。