纖維增強復合材料在土木工程中的應用研究

柴勇林，李秉洪，梁曉東，尹亞偉，張瑨博

(山西建工集團第四工程公司，山西太原 030021)

纖維復合材料憑借其優異的抗腐蝕、輕質高強等性能和突出的尺寸穩定性，早期主要應用于航空航天及軍工等領域，后期逐步在建設工程行業得到了青睞。在土木建筑工程領域，纖維復合材料能滿足現代化建設工程的輕質、高強、重載、大跨及耐腐蝕等一系列需求，在混凝土結構加固、橋墩維修補強、臨海構筑物防腐等方面得到了越來越廣泛的應用[1-2]。與此同時，隨著生活水平的提高，人們對智能化材料的需求日趨高漲，如自檢測、自修復以及自維修等，而智能/功能混凝土等纖維復合材料不僅能滿足建筑工程的力學指標，而且能適應多種智能化場景需求，從而賦予大型建（構）筑物智能化應用與運行條件，提升橋梁或高速公路等的服役年限與使用品質[3]。研究和實踐表明，纖維復合材料在土木建筑工程中的推廣應用，可一定程度上改善傳統建材應用的不足和缺陷，突破大跨、重載等傳統設計極限[4]，同時憑借綠色環保、防腐耐久等性能，有效降低土木建筑施工領域的生產能耗和維護造價，更好地實現可持續發展目標。

1 纖維復合材料的應用特點

相比傳統的水泥、鋼筋或混凝土等建材而言，纖維復合材料擁有獨特的優異性能。

（1）可設計性。纖維復合材料是由纖維材料和基材復合的產物，兼具纖維材料與基材各自組分的優勢，且在性能上相互補充、取長補短，形成協同效果。例如，可通過纖維材料和樹脂的選擇，達到設計復合材料預期性能的效果。

（2）比強度、比剛度大。以樹脂基纖維復合材料為主的復合材料密度較低，但具有較高的力學性能。如碳纖維復合材料，其密度僅約為鋼材的0.2倍，鈦合金的0.3倍，這使得CFRP材料的比強度顯著優于常用的傳統建材，如玻璃鋼、超硬鋁、高強鋼等，且比模量均超過傳統建材至少3倍[5]。再如碳纖維T300/5208，其比剛度為鋼材的5倍以上。憑借輕質高強的特性，纖維復合材料能節約施工工期，降低施工復雜程度。

（3）耐疲勞。常規情況下，金屬材料的疲勞強度僅為其極限強度的2/5～1/2，而對于纖維復合材料，如CFRP，其在荷載工況下表現為黏彈性特點，能抑制裂縫擴張，抗疲勞特性佳。而處于靜態時，CFRP材料的破壞條件為極限強度應力的0.9倍，可循環作用逾百次，而相同工況下鋼材的破壞極限僅為強度應力的50%左右[6]。

（4）抗腐蝕。使用壽命方面，纖維復合材料是傳統鋼筋和混凝土的2倍[7]，且大多為電絕緣材料，可以在酸堿等腐蝕性環境中長時間工作。將其用于近海結構的加固維修時，能夠避免與海水發生化學反應，極大地提高了近海構筑物的服役年限，有效減少維修或改建頻次，節約工程成本。

（5）延性好、抗震性能優良。纖維復合材料的自振頻率高，阻尼大，一般不會出現脆斷現象。同時，大量纖維體相對獨立受力，即使部分纖維受力斷裂，仍可將荷載傳遞至其余纖維承擔，表現出較好的延性破壞特征。

（6）結構功能/智能化。纖維復合材料具備良好的設計性，因此前期材料性能在一定設計條件下可具備智能化。如經特殊材料制成的復合材料梁體，能夠針對不同的振動環境自動產生一定的變形，改變固有振動頻率，降低相應振幅，從而提升框架結構的服役年限，減少結構噪聲[8]。

2 纖維復合材料在土木建筑工程中的主要應用

2.1 纖維混凝土復合材料

作為土木建筑工程中的主要材料之一，傳統水泥混凝土存在脆性破壞、抗拉性能差等缺陷。而纖維的高抗拉強度可有效增強水泥基材料的機械性能，將其摻至水泥基體后，可形成強度高、耐久性好、延性優良且具備功能化特點的水泥基纖維復合材料，其中的纖維類別可包括碳纖維、智能纖維、鋼纖維、玻璃纖維及芳綸纖維等。

2.1.1 纖維增強混凝土

針對傳統水泥砂漿和混凝土材料的性能短板，為實現其性能的優化改良，可基于纖維阻裂機理[9]，通過摻入抗堿能力強、力學特性優異的纖維材料并以特定方式實現復合，從而形成纖維增強混凝土，提升傳統混凝土材料的綜合性能與應用價值。在纖維增強混凝土的發展早期，土木建筑領域大多利用鋼纖維進行增強改造，隨著應用深入與技術拓展，后續相繼研發出了玻璃纖維、芳綸纖維、防彈絲纖維以及碳纖維等增強復合混凝土，其中尤以碳纖維增強混凝土的性能最為突出，具有耐強堿腐蝕、高力學性能和高穩定性的優勢，得到建筑工程領域廣泛的應用。在土木建筑領域，以碳纖維取代傳統結構中的鋼絲/鋼筋，可在降低構件自重的同時，弱化鋼筋混凝土結構的劣化趨勢，既便于吊裝，也能節約工期。另外，碳纖維具備一定的振動阻尼性能，能顯著提升結構的抗震能力。相關研究[10]指出，在水泥混凝土中只需摻入約2%左右的碳纖維，即能大幅提升其抗拉與抗彎強度，同時也能進一步強化抗壓強度。

2.1.2 功能/智能混凝土

隨著現代化進程的發展，人們對智能建筑與智能材料的需求與日俱增，而纖維復合材料的出現能賦予傳統混凝土更多的智能或功能，以滿足不同使用工況的實際功能需求。

（1）磁場屏蔽。在某些需要屏蔽磁場的土木建筑項目中，如工業建筑、機房、變電站等，為使建筑物具備屏蔽功能，可在結構混凝土制備中摻入一定量的鋼纖維。研究指出，亂向分布的短鋼纖維具備電磁輻射屏蔽性能，其屏蔽能力與鋼纖維的長度、體積、長徑比等有關[11]。

（2）應變自感應。碳纖維的變形與所受應力具備相應的線彈性關系，因此可通過將碳纖維與水泥基材進行復合形成應變自感應混凝土，其可以借助復合材料中短切碳纖維，實現對混凝土受拉、受彎或受壓等不同工況下的實時監測。

（3）自修復。以往的混凝土結構發生開裂后，一般需要通過外在措施進行加固補強。而在混凝土中摻入含有黏結材料的玻璃空心纖維時，在結構受損擠壓引起玻璃空心纖維破裂后，可釋放出黏結劑并使裂縫處重新愈合，實現自修復效果。此外，將編織纖維網摻入磷酸鈣水泥基體中，借助水化、硬化、聚合等一系列反應，也可促進受損位置的自愈合[12]。

2.2 纖維聚合物筋

纖維聚合物筋作為一種復合材料制品，相比鋼筋而言，在熱膨脹系數、與混凝土黏結性、抗腐蝕性、抗疲勞性以及自重和強度等方面，均有更好的性能表現，因此可一定程度上替代鋼筋，形成纖維聚合物筋混凝土結構，在地下連續墻鋼筋籠、預應力鋼筋等領域的應用優勢更大。纖維聚合物筋的類別較多，其中的纖維可以是傳統的碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維等。纖維聚合物筋具備高強的性能，服役過程中載荷的施加不但能充分發揮其力學特性，而且可實現纖維聚合物筋混凝土梁抗裂能力的提升。因此，在混凝土梁或柱構件中，纖維聚合物筋可替代傳統鋼筋作為加強骨架進行應用，如將碳纖維聚合物筋應用于體外預應力筋或無粘結預應力筋，以契合其抗腐蝕、低模量等特性，或者利用優異的抗疲勞、耐腐蝕性能，將其用于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋的主要豎向受力構件等。

2.3 結構補強材料

在土木建筑工程加固領域，纖維復合材料，尤其是碳纖維、芳綸纖維等復合片材的抗拉強度較高，是較為常見的結構修補加固材料。以纖維復合材料作為結構補強材料的加固方式主要是通過樹脂黏合劑將纖維復合片材粘貼在待修補構件表面，使復合材料與結構構件整體受力、協同作用，進而實現構件裂縫修補或受力性能改善。

相比常規的粘鋼加固方法，纖維復合片材加固方式不僅避免了易腐蝕、穩定性欠佳的缺點，其施工過程更為便捷，在不增加額外的自重與截面面積的同時，有效增強了構件的承載能力，且能適應不同的加固環境。在實際應用中，纖維復合片材加固方式通常用于受彎、受剪及抗震等不同工況[13]。

3 結束語

纖維復合材料能夠取長補短，突破傳統單一材料的應用局限，既有各組分原材料的優良性能，也有原材所不具備的特性，在我國土木建筑領域中占據重要的應用地位。但就當前的應用現狀而言，纖維復合材料仍存在不足和發展瓶頸，如纖維復合材料在結構設計方面缺乏相應的指導規程、應用成本較高、回收問題未得到關注等，仍需對其進行更多的研究，以克服存在的問題，進一步提高其在建筑工程中的應用效果。