现代土木工程中新材料的应用

【摘 要】FRP材料、CFRP材料、玄武岩纤维材料、智能材料是现代土木工程中应用的新型材料,这些材料性能优异,易于使用.本文就上述材料的优异性能进行阐述,并分析其在土木工程中的应用空间.

【关 键 词】土木工程；FRP材料；CFRP材料

随着社会科学技术的进步,土木工程结构学科也获得了很大的发展,其发展在很大程度上得益于新材料的应用,如FRP材料、CFRP材料、玄武岩纤维材料、智能材料等等,这些材料凭借优异的性能正被越来越广泛地应用于桥梁工程、民用建筑、海洋工程、地下工程等土木工程建筑.

1FRP材料

FRP材料即纤维增强复合塑料,FRP由增强纤维和基体组成,一般用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂做基体,以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料.该材料具有抗拉强度、弹性模量小、抗剪强度低、抗腐蚀、抗疲劳性能好等特点.FRP的抗拉强度均明显高于钢筋,与高强钢丝抗拉强度差不多,是一般钢筋的2倍至10倍.大部分FRP产品弹性模量小,约为普通钢筋的25%～75%,因此,FRP结构的设计通常由变形控制.FRP的抗剪强度仅为抗拉强度的5%～20%,这使得FRP构件在连接过程中需要研制专门的锚具、夹具[1].FRP材料可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中长期使用,因而可提高结构的使用寿命,这是结构材料难以比拟的.

FRP复合材料在土木工程领域的应用快速增长,可用于包括柱、墙、梁、板及面板的抗震及补强加固.FRP纤维复合材料凭借耐腐蚀性能已广泛用于加筋土中,由于该材料易被掘进机具切断,故可用于盾构法掘进竖井的混凝土墙、土钉及临时支护用的复合材料地锚,而且由于低廉,安装方便,干湿交替的挡土墙、地基锚杆及喷射混凝土筋中用的也很多.此外.因为良好的拉伸性,FRP材料在悬索桥及斜拉桥的缆索、预应力混凝土桥中的预应力筋中也光放应用.FRP属于人工材料,可根据工程需要采用不同纤维材料纤维含量和铺陈方式等不同工艺设计出不同强度指标、弹性模量及特殊性能要求的FRP产品,且FRP铲平形状可灵活设计.

2CFRP材料

CFRP材料即碳纤维增强复合材料,CFRP材料是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7～9倍,抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢.因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/（g/cm3）以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/（g/cm3）左右,其比模量也比钢高.碳纤维复合材料的优点是高强度,是钢铁的5倍；出色的耐热性,可以耐受2000℃以上的高温；出色的抗热冲击性；低热膨胀系数,不宜变形量；热容量小,较为节能；比重小,仅仅对钢材料的1/5；优秀的抗腐蚀与辐射性能.

碳纤维复合材料在土木工程中的用途主要表现在碳纤维筋、碳纤维增强水泥和碳纤维增强木材.碳纤维筋的强度比低碳钢高约90%,而重量仅为后者的1/5左右；碳纤维与混凝土的附着强度高达713MPa,高于钢绞线与混凝土2197MPa的附着强度；碳纤维筋具有良好的拉伸疲劳性能及耐腐蚀、抗冲击、柔性高和易于操作的性能,因此在桥梁、码头等易受腐蚀的结构中应用较多.碳纤维增强水泥在水泥及其制品中掺和一定量高性能碳纤维和高效外加剂,以有效控制水泥及其制品塑性收缩及早期裂纹,提高水泥及其制品的密实性,增加水泥及其制品后期强度[2].碳纤维增强木材是用碳纤维包裹木材或将碳纤维片材铺设于木材的某个侧面或中间而形成的一种新型结构材料.碳纤维的加入使木材的抗拉强度、防腐防火等性能大为提高,使其应用领域更为广泛.

3玄武岩纤维材料

玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维.类似于玻璃纤维,其性能介于高强度玻璃纤维和无碱玻璃纤维之间.玄武岩连续纤维不仅稳定性好,而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能[3].此外,玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少,对环境污染小,产品废弃后可直接转入生态环境中,无任何危害,因而是一种名副其实的绿色、环保材料.

碳纤维和是目前世界上所采用的主要的加固补强用的新型材料之一,在桥梁、隧道、房屋等结构抗震加固补强方面具有极为广阔的应用前景.利用玄武岩纤维高模量、耐冲击和低成本等优势,可以开发其在降噪、抗振和抗震等耗能领域的应用.玄武岩纤维还可以用在具有高火灾危然的工业建设项目,核电站,化学工业与石化工业,高层建筑群,造船工业,汽车制造业等领域.玄武岩纤维及其土工材料具有较高的强度、弹性模量和耐高低温、耐侵蚀等性能,也适用于路面土工格栅中的基础材料[4].

4智能材料

智能材料实际上是一种仿真生命系统,一方面能够感知外界环境或内部状态所发生的变化,另一方面能提供针对材料自身的或外界的某种反馈机制,适时地将材料的一种或多种性质加以改变,做出所期望的某种响应.智能材料的功能表现为：反馈功能、传感功能、响应功能、信息识别与积累功能自诊断能力、响应功能、自修复能力和自适应能力、自诊断能力.

近几年我国通过不同的方法支持智能材料与结构的研究.目前许多项智能材料及其在土木工程中的应用研究正在我国进行着.目前,智能材料与结构在土木工程中的应用主要是将智能材料,比如上文提到的碳纤维等,混入到混凝土中,使混凝土构件具有自我增强、自我诊断、自我愈合以及自我调节的功能[5].智能材料在土木工程中重要的应用,是自动化控制技术发展、计算机科学、材料科学的重要阶段的产物.因此,土木工程的未来深受高科技材料发展的影响,对此我们国家需要长久的对其研究下去.

FRP材料、CFRP材料、玄武岩纤维材料、智能材料已经开始应用于现代土木工程建筑,但由于、应用技术、观念等因素这些新型材料的应用还不够广泛.革新技术、降低成本、加大推广,这些新型材料能在现代土木工程中发挥巨大作用.

【参考文献】

[1]刘冬梅,周剑霞；纤维增强塑料筋在土木工程中的应用探讨[J]；科技与企业,2014,7：206

[2]暴庆祥；试分析基础设施和土木建筑中碳纤维复合材料的实际应用研究[J]；中国科技博览,2013,34：305.

[3]倪晶；纺织材料在建筑及土木工程领域的应用[J]；江苏商报（建筑界）,2013,21：100.

[4]李毛毛；无机纤维状绝热材料在土木工程中的应用[J]；山西建筑,2013,35：133.

[5]涂远；智能材料在土木工程中的应用[J]；福建建筑,2014,2：26-28.