纤维复合材料在土木建筑工程中的应用

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2008年第 6期 产业用纺织品 应用
应用 产业用纺织品 总第 213期
纤维复合材料在土木建筑工程中的应用
邓 文 (东华大学纺织学院 ,上海 , 201620) 崔建伟 (南通大学纺织服装学院 ,南通 , 226007) 张慧萍 晏 雄 (东华大学纺织学院 ,上海 , 201620)
(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 组分材料的组合 ,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 /环氧树脂 5208的比强度是铝材的 6. 3倍 、钢材的 5 倍 ,比刚度为铝材的 4. 16 倍 ,因 此纤维复合材料是一类轻质高强建筑材料 。
(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% ,具有良好 的抗疲劳性能 。
(4) 良好的抗化学反应和化学腐蚀性 :传统建 筑材料如钢筋等不耐腐蚀 ,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耐 腐蚀材料 ,用其制作的设备或构件一般具有良好的
(5)自修复混凝土 :该混凝土将含有粘结剂溶 液的玻璃空心纤维混入混凝土 ,混凝土材料在外力 作用下发生开裂后 ,玻璃空心纤维就会破裂而释放 粘结剂 ,粘结剂流向开裂处 ,使之重新粘结起来 ,达 到愈伤的效果 。此外 ,美国还根据动物骨骼的结构 和形成机理 ,尝试制备仿生混凝土材料 。其基本原 理是采用磷酸钙水泥 (含有单聚物 )为基体材料 , 其中加入多孔的编织纤维网 ,利用多孔纤维在水泥 水化和硬化过程中释放出聚合反应引发剂 ,与单聚 物聚合成高聚物 ,聚合反应留下的水分参与水泥水 化 ,使纤维网的表面形成大量互相穿插粘结的有机 及无机物质 ,制成类似动物骨骼结构的无机有机相 结合的复合材料 。同时当混凝土发生损伤时 ,多孔 有机纤维会释放聚合反应引发剂 ,与单聚物聚合成 高聚物 ,使损伤愈合 。
随着社会和科技的发展 ,混凝土材料不仅要承 受荷载 ,还要适应多功能和智能建筑的需求 。纤维 复合材料应用于功能 /智能混凝土主要有 :屏蔽磁 场水泥基复合材料 、水泥基屏蔽电磁波复合材料 、 应变自感应混凝土 、温差水泥基复合材料 、自修复 混凝土 、导电水泥混凝土等 。
(1)屏蔽磁场水泥基复合材料 :为了使路面和 建筑物具有屏蔽磁场的功能 ,一般采用在混凝土中 加入别针形的钢纤维来达到屏蔽作用 。研究结果 表明 ,在混凝土中掺入 5% (体积 )的钢质别针即 可获得较好的屏蔽磁场效果 。
(3)应变自感应混凝土 :该类型纤维混凝土是 将碳纤维等物质均匀分散掺入到水泥基材中 ,使其 具有自感知其内部的应力 、应变和损伤程度的功 能 。如美国学者将短切碳纤维掺入混凝土材料中 , 使其可以敏感有效地监测拉 、弯 、压等各种状态下 材料的内部情况 。
(4)温差水泥基复合材料 :该材料的制备机理 是将切短的碳纤维适量掺入混凝土材料中使其具 有热电效应 ,利用这种混凝土材料能实时监测建筑 物内外和路面表层 、底层的温度变化以及为建筑物 提供电能 。
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
建筑材料自振频率甚高 ,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 。
(2)水泥基屏蔽电磁波复合材料 :这种纤维水 泥复合材料是在水泥基中加入纤维 (如碳 、铝 、钢
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0 引言
建筑工业在国民经济中占有很重要的地位 ,不 论是哪一个国家建筑工业都是国民经济的支柱产 业之一 。随着社会的进步 ,人们对居住面积 、房屋 质量和娱乐设施等提出越来越高的要求 ,已成为推 动建筑工业改革发展的动力 。建筑工业现代化的 发展方向是 :改善施工条件 、加快建设进度 、降低成 本 、提高质量 、节约能源 、减少运输 、保护耕地 、保护 环境和提高技术经济效益等 。为了达到此目的 ,必 须改善现有的建筑材料和发展新型建筑材料 [ 1 ] 。 随着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 程结构向大跨度 、高耸 、重载 、高强和轻质方向的发 展 ,在土木建筑工程中的应用日益扩大 。纤维复合 材料在建筑领域的应用主要分为两类 :一类是刚性 复合材料构件 ,如梁 、柱 、骨架结构等 ;另一类则是 柔性复合材料构件 ,如体育馆 、停车场和车站的屋 顶 、野营帐篷等膜构件材料 [ 2 ] 。纤维复合材料替 代传统建筑材料应用于土木建筑工程 ,既为纺织行 业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 [ 3 ] 。
(6)导电水泥混凝土 :在水泥基体中掺入适量 纤维导电材料碳纤维或金属纤维 ,不仅可以使水泥 基复合材料具有良好的导电性 ,还能改善它的力学 性能 ,增加延展性 。导电水泥混凝土可应用于工业 防静电结构 ,道路路面处的化雪除冰 ,住宅的电热 结构 [ 3 ] 。 2. 2 纤维复合材料的涂层织物在建筑材料方面
2 纤维复合ຫໍສະໝຸດ Baidu料在建筑行业中的应用
2. 1 纤维材料增强混凝土的应用 在建筑业中 ,混凝土是一种不可或缺的材料 ,
它的用量也较大 ,一般多以钢筋来增强 ,但由于钢 筋本身易受酸碱作用产生腐蚀 ,从而对混凝土造成 破坏 ,因此有必要寻求新的混凝土产品 。
纤维混凝土是在对混凝土的创新过程中应运 而生的一种产品 ,最早使用的多为钢纤维 、玻璃纤 维和维纶增强混凝土 。目前使用的较为新型的有 碳纤维 、芳纶和丙纶混凝土 。在纤维增强混凝土 中 ,纤维用来充当增强材料 ,纤维的本身性能如强 度 、模量 、断裂长度等和纤维在此中的空间结构 、体 积含量等都决定着混凝土的性能 。纤维增强混凝 土分为短纤维增强混凝土和长纤维增强混凝土 。 短纤维增强混凝土中的纤维一般切成几毫米至几 十毫米长度 ,随机掺入砂浆基材之中 ,可以替代或
部分替代钢筋 。与传统混凝土相比 ,它的拉伸强度 和抗弯强度大 ,防裂性能好 ,多用于内外装饰板材 和部件 。长纤维增强混凝土多采用连续碳纤维 、芳 纶等制成棒状 、网状或三维异型织物 ,用环氧树脂 或乙烯酯树脂制成纤维增强塑料骨架 ,以替代钢筋 构成新型复合混凝土材料 ,常用作墙板 、护墙板和 主体建筑物 。一般来说 ,长纤维增强混凝土的性能 优于短纤维增强混凝土 。 2. 1. 1 常用各种不同类型纤维混凝土的特点
摘 要 :针对土木和建筑工程的发展趋势 ,探讨纤维复合材料在土木和建筑工程中应用的优势 。介绍了国内 外纤维复合材料在土木和建筑工程中应用的进展 。
关键词 :纤维复合材料 ,土木工程 , 建筑工程 ,应用 中图分类号 : TS102; TU528. 572 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7093 (2008) 06 - 0028 - 04
(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功 能 。例如美国人在建筑物中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 [ 3 ] 。
的应用 涂层织物是在织物上覆盖一层高分子涂层剂 — 30 —
或其他材料而得的复合材料 。作为底布的织物起 着骨架的作用 ,承担着复合材料的抗张强力 、撕裂 强力 、尺寸稳定性等方面的功能 ;涂层剂则承担着 保护底布组织以及表面特性 (如防水 、耐蚀 )的职 能 。基布是涂层织物的骨架 ,它的性能影响着最终 产品的性能 。基布最初多用棉织物 ,但由于棉织物 易霉 、怕腐蚀 ,布身重 ,使用寿命短 ,故随着化纤业 的发展逐渐弃用 ,开始大量采用维纶 、涤纶 、锦纶 等 ,芳纶 、玻璃纤维制作基布效果也较为理想 ,但因 成本高不宜于大量使用 。在制成织物上 ,实际应用 中仍以机织物为多 。这是由于机织物的拉伸强度 和模量比较高 ,断裂伸长小 ,具有较好的应力 —应 变关系 ,且织物受外力后抗变形能力强 ,结构稳定 , 同时孔径均匀 ,孔隙尺寸易控制 。涂层剂的选择品 种很多 ,它赋予涂层织物以不同的性能 ,比如有机 硅可使涂层织物具有透湿性 ,同时又具有防水性 ; 聚丙烯酸酯涂层剂则有良好的耐光热性 。所以应 根据涂层织物的应用场合不同 ,选择涂层剂 。涂层 织物在建筑中主要用作膜结构建筑材料 、篷盖布 、 软性屋顶等 [ 5 ] 。
应用 产业用纺织品 总第 213期
等 )来获得屏蔽电磁波的功能 。日本学者采用纤 维毡作为吸附电磁波的功能组分 ,制作了轻质兼有 防震功能且对电磁波吸收可达 90% 以上的幕墙 。 此外 ,文献表明该类型纤维复合材料不仅有屏蔽电 磁波的功能 ,还能用于近年发展起来的智能交通系 统导航 。
传统的混凝土结构随着时间的推移 ,其腐蚀 、 劣化问题不断发生 ,其中以钢材锈蚀最为常见 。这 不仅影响到工程结构的正常使用和寿命 ,还会产生 工程安全事故及隐患 。钢纤维由于成本高 ,易腐 蚀 ,应用有限 ;玻璃纤维的拉伸强度高于钢筋 ,其重 量只有钢筋的四分之一 ,受水泥和海水的侵蚀远远 低于钢筋 ,但玻璃纤维易折断 ,不耐碱 ,应用有污 染 ;丙纶加工工艺简单 ,价格低廉 ,性能优异 ,丙纶 增强混凝土很好地解决了建筑生产中出现的问题 , 避免和减少了钢材锈蚀事故的发生 ,近年来得到推 广应用 。碳纤维具有低密度 、高强度 、高硬度的多 种特点 ,抗拉强度和弹性模量高 ,导电导磁 ,能耐恶 劣环境 ,耐磨损 ,耐高温 ,与混凝土粘结良好 [ 4 ] ,但 碳纤维因为导电导磁有些建筑不能应用 ,且碳纤维 成本较高 ;芳纶轻质高强 ,柔韧性好 ,力学性能介于 碳纤维和玻璃纤维之间 ,而且是电场 、磁场的绝缘 体 ,不会对电场 、磁场产生干扰 ,但芳纶价格也高 。 新型纤维增强混凝土的应用逐渐增多 。 2. 1. 2 功能 、智能纤维混凝土
收稿日期 : 2007 - 08 - 15 作者简介 :邓文 ,男 , 1983年生 ,在读硕士研究生 。主要从事纺 织复合材料方面的研究 。
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本文阐述纤维复合材料在土木建筑工程中的 特点极其应用等 ,为纺织品在该类行业的推广提供 参考 。
1 土木建筑工程中纤维复合材料 的 特点
土木建筑工程中纤维复合材料有如下几方面 特点 。