纤维复合材料在建筑领域的研究应用
肖登耀 宫汝燕 赵德明
威海市产品质量标准计量检验研究院 山东威海 264200
摘要：随着时代的进步和社会经济水平的提升，建筑行业的发展如火如荼，不仅促使建筑规模扩大、数量增多，而且也对其建筑质量提出了高要求。在传统建筑工程建设与施工中，由于部分传统材料缺乏完善的性能，其质量未达到现阶段标准与要求，因此阻碍了建筑工程建设水平的提升。面对此情况，应加强对新材料的挖掘和运用，其中纤维复合材料就是最重要的一种。此种材料集多种优势，将其应用在建筑工程中是未来发展的主要趋势。
关键词：建筑工程；纤维复合材料；应用
1纤维分类
1.1玄武岩纤维
玄武岩为天然火山喷出岩，一般为致密状或泡沫状，呈暗色或黑色。国内玄武岩矿产主要分布在福建、河南及安徽等地。玄武岩纤维属于无机非金属纤维，一般呈褐色或金色，其主要成分是SiO2，还包括Al2O3、CaO、MgO、FexOy、Na2O、K2O、TiO2等。生产工艺一般是原料破碎-高温熔融-拉丝，熔融温度约1500℃，整个生产过程无废料、无废气、无污染。玄武岩纤维具有如下优异性能：隔热阻燃、既耐高温又耐低温（使用温度-260℃～700℃）、耐酸和耐腐蚀性能好、摩擦系数稳定、高拉伸强度、高弹性模量、与水泥基体有良好的界面粘结性能等。
1.2碳纤维
与其他元素比，碳元素构成不同结构的能力非常优越。碳纤维是一种具有极高强度、高阻燃、耐高温、高拉伸模量等特性和良好电磁屏蔽效应的高性能纤维。
1.3玻璃纤维
玻璃纤维属于无机非金属纤维，由SiO2、Al2O3、CaO、BO、MgO等成分组成。按玻璃中原料的含碱量成分可分为：无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）、低碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）和高碱玻璃纤维（A玻璃纤维）。其制备过程主要是熔融玻璃在重力作用下流过特质衬套中的上千个喷头，再后期处理。玻璃纤维质量轻，在拉伸、电绝缘性、耐高温、耐蚀、阻燃、隔热、防震等方面性能优良，吸湿性也相对要小很多。但脆性、耐碱性差，应用时需对其进行表面改性处理，工艺难度及成本极大提高。
1.4化学合成纤维
化学合成纤维包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等，具有较高的抗拉强度、极限延伸率、抗碱性等优点，且价格经济。
2纤维复合材料在建筑领域的研究应用
2.1混凝土
2.1.1玄武岩纤维混凝土
玄武岩纤维与水泥基体紧密结合且有较大摩擦力，在水泥基体承受拉应力时可产生纤维-水泥界面过渡区，将水泥水化收缩的拉应力转移到纤维中，而纤维不易断裂，从而大幅度提高混凝土的早期抗裂性能。玄武岩纤维混凝土可应用于港口码头、跨海大桥、严寒地区、机场跑道、高层建筑及桥梁加固等领域，但由于抗弯、抗剪性能不够强，其应用范围还不广泛。而且，目前玄武岩纤维生产工艺还不够完善，目前多以短切和增强筋的形式掺入混凝土中。
2.1.2碳纤维混凝土
碳纤维混凝土中，碳纤维数量多且乱向分布，形成了一个较均匀的三维网络体系，这使碳纤维混凝土比普通混凝土具有更优越得多的抗拉强度、韧性及抗冲击性。此外，碳纤维可缓和冲击时混凝土内部裂缝尖端的应力集中，抑制了裂缝的发展，也提高了混凝土的抗冲击性能。另外，利用碳纤维的压敏性、压阻性、温敏性等特性，可实现智能混凝土的损伤预警功能，即计算机可与纤维材料连接反馈，当混凝土内部应力或应变接近极限时自动报警。碳纤维混凝土已在高抗力结构、智能混凝土结构及电磁屏蔽防护等领域得到了应用，但碳纤维价格高昂，故造价是限制其在建筑领域中广泛应用的主要原因。
2.1.3钢纤维混凝土
钢纤维混凝土中短钢纤维抗拉强度高，而混凝土抗压强度高。
因此，与普通混凝土相比，能显著增强断裂韧性、抗冲击性能、疲劳性能及耐久性，且能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能。开裂后纤维仍能继续承担荷载，使混凝土“裂而不断”。此外，钢纤维长度与直径较大，会在混凝土浆体中形成相互支撑的搭接骨架结构，使混凝土流动性大幅减弱。钢纤维混凝土已在水工、路桥、建筑等工程领域得到应用。但其抗压强度、抗渗、耐磨及防止早期塑性收缩等性能没有明显提升，甚至不升反降；还有用量大、价格较高、易生锈、无法应对火灾爆炸等缺点，也限制了其应用。
2.1.4玻璃纤维混凝土
玻璃纤维混凝土不仅有优异的抗压强度，还可弥补传统混凝土抗折、抗拉和抗冲击能力较弱的缺点。另外，玻璃纤维可降低再生沥青混凝土的水敏性，提高了其低温和高温动态模量性能及抗车辙性能。
2.1.5化学合成纤维混凝土
合成纤维掺量少时，能显著改善混凝土早期塑性收缩开裂。另外，纤维由连续或不连续的细丝组成，通过填充孔隙、桥接微裂纹来加强内部黏结，可显著改善混凝土的抗渗、抗腐蚀、抗冻、抗裂、抗碳化等耐久性能。但其易老化，并会降低抗压强度。聚乙烯醇（PVA）纤维与水泥的表面粘结性能和力学性能不如玄武岩纤维。
2.2模板
传统的建筑模板有木模板、组合式钢模板、木塑复合板、塑料模板等，存在质量大、耐腐蚀性差或使用寿命短等问题。玻璃纤维增强聚丙烯塑料模板用玻璃纤维毡作为增强材料，聚丙烯作为基体材料，通过浸渍成型、注塑成型、挤压成型、模压成型等多种热塑工艺制成，具有质轻、耐腐蚀、回收利用率高等优势，可降低劳动强度并且绿色环保，在建筑领域中得到了广泛的应用。
2.3锚杆
目前最常使用的锚固抗浮法中最受推崇的措施是抗浮锚杆，具有施工便捷、成本低、工期短、适用范围广、抗浮效果好等优点。在土方开挖过程中，为了防止土壤、岩体的坍塌，保持其稳定性，需要在掘进后进行支护。支护形式为刚性、柔性加固并行。在基坑支护工程中采用锚杆加固技术属于柔性加固。传统钢筋锚杆极易生锈，严重影响建筑物的使用寿命。纤维锚杆可用作抗浮锚杆或基坑支护锚杆，其抗拉强度更高、质量轻、耐蚀性及绝缘性好，其中玻璃纤维锚杆比其他纤维（如芳纶、碳纤维、玄武岩纤维等）锚杆价格更低、性价比更高，应用会日趋广泛。
2.4构件
纤维复合材料在建筑结构件中的应用越来越广泛，可作新建筑物的结构构件；可作钢筋混凝土结构内部增强杆件；也可用玻璃钢管通过特定连接形成框架承重结构。另外，纤维复合材料还可作桥梁和桥面板，有耐蚀、轻质、高强、易拼装、施工快捷、维护方便及抗超载能力强等优点。纤维复合材料适合于生产、运输、安装的工业化施工过程，有利于保证工程质量、提高劳动效率和建筑工业化。
2.5加固
纤维复合材料与传统建筑材料（混凝土或钢材等）的组合结构中常见有两种形式：纤维布现场湿黏作业约束加固混凝土结构，或预制成型的纤维管既作为浇筑模板又约束混凝土并用于新建混凝土结构。工程中常用的结构加固方法有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘钢加固法和粘贴纤维复合材料加固法等。传统的加固方法整体水平比较落后、施工方法和施工工艺比较复杂，对结构的自重和使用面积有一定的影响。纤维复合材料加固钢筋混凝土结构已成为目前常用的加固方法之一，具有高强高效、少增加结构尺寸、不进行大的结构处理、施工方便、工期短、适用广、耐疲劳、耐腐蚀等优点。主要包括外贴加固、嵌入加固和网格加固。使用碳纤维/玻璃纤维复合材料加固的塑性和承载力大于单独使用这两种纤维材料，效果更好且成本更低。
3结语
总而言之，纤维复合材料具有优越的抗震性、可塑性、抗腐蚀性，将其科学合理地应用在建筑工程施工中，可对部分材料进行取代，弥补传统材料的不足，减少工程缺陷，优化工程质量，同时对建筑工程理想经济效益的实现也具有重要意义。因此，在建筑工程开展中，应勇于突破传统施工理念，加强对纤维复合材料的运用，明确其优势与性能，将其运用得恰到好处，有利于在整体上提高建筑质量，推动建筑工程发展，使其与时代发展相适应，进而获得长足进步。
参考文献：
[1]臧德厚.纤维增强复合材料在建筑工程中的应用[J].建材与装饰，2020（11）：43–44.
[2]赵旭.纤维复合材料在土木建筑工程中的应用[J].江西建材，2020（2）：12–13.