复合材料在土木工程中的发展与应用

杜光

摘要：土木工程涉及范围较广，在施工建造过程中，为达到预期的设计效果，将复合材料有效的融入其中是促进建筑设计多样化的必然趋势，一方面能够对土木工程总体质量进行进一步强化，另一方面也可有效降低外部环境对土木工程建筑的影响，是提高土木工程应用效果的有效途径。因此本文就复合材料在土木工程中的发展与应用展开探究，并总结出符合材料的主要优势及在土木工程中的应用效果与发展方向。

关键词：复合材料 土木工程 发展 应用

近年来，土木工程技术的不断成熟使更多高新技术材料有效的融入到土木工程建筑中，对于提高工程质量与使用年限有着重要作用。复合材料是目前应用最为广泛的土木工程材料，主要以用途广泛、稳定性强及易于维护管理著称。在现有的多种土木工程中，复合材料在工程建筑中占有较大比重，是建筑建造不可或缺的重要材料之一。

一、对工程结构发挥的加固和补强的作用

早在上世纪九十年代，碳纤维增强复合材料出现，应用在对桥梁的加固方面，促使纤维增强复合材料在加固和修复方面的影响增强，研究的范围实现了拓展，在具体的工程中得到应有，促使FRP在修复和加固方面彰显优势。此时，我国的CFRP加固工程出现，为新型复合材料的发展奠定的基础，当前，FRP技术在结构加固工程中得到极大推广，发展到桥梁和建筑，涉及混凝土、地下隧道等多种形式，加固方式展现为缠绕、粘贴等多种方法。FRP在混凝土结构中的加固形式较多，在各种结构架构中应用比较普及，其中，在钢结构加工方面的运用最为突出。

二、FRP筋索和预应力FRP筋混凝土结构介绍

（一）FRP的主要優势在于能够使用更少的材料达到更好的效果，FRP材料普遍具有强度高、重量轻及稳定性好等特点，在使用过程，也不易遭到环境与建筑结构的腐蚀及影响，是现有安全性最高的建筑材料之一。在成本方面，FRP材料也具有极为明显的优势，与传统钢筋混凝土结构相比，FRP强度更高，即使受到外部环境的高压冲击，仍能保持相对稳定的形态，同时便于维护，即便大量应用，使用成本也低于传统钢筋混凝土材料。

（二）虽然在实用性方面，FRP具有明显优势，但在混凝土与筋粘结方面，仍存在部分技术问题，一旦在粘结过程中，材料产生一定程度的性状改变，即可能无法达到预期的建筑设计效果。同时受力学构造影响，在结构力学承压方面，FRP与传统混凝土结构也存在着本质上的差别，如承压面积与位置发生改变，则会增加FRP材料的弹脆性，所以需要根据实际的工程需要在设计方面深入研究。

三、对FRP组合结构的介绍

（一）FRP管混凝土分析

FRP管混凝土主要是对混凝土结构形成一种约束作用，使其稳定性得到有效提升。一方面能够提升工程施工基本效率，加快施工进度。另一方面还可将其作为模板进行使用，让工程建筑质量与建筑使用年限得到进一步提升。

（二）FRP一钢管一混凝土组合构件的分析

钢管可作为FRP与混凝土间的主要载体，以便于在施工过程中，可充分发挥FRP模板的基本作用，不仅能够降低生锈的可能性，同时有效降低其基本重量，使材料性状更稳定，不易在使用过程中产生变形的情况。

（三）FRP一混凝土组合粱分析

FPR一混凝土组合梁利用混凝土拉力优势提高稳定势能，所以在使用过程中，该材料可有效的利用于模板中，对于进一步提升组合件应用效果有一定的作用。

（四）CFRP一铝合金组合构件的分析

CFRP的设计初衷主要是使FRP材料在使用过程中，降低其脆弹性，让其能够发挥出高强度与耐腐蚀等方面优势，以此一方面确保FRP在土木工程中的稳定性，另一方面有效增加FRP材料的适用性。

（五）FRP一木组合构件

FRP一木组合构件在特性方面与木质材料有一定的相同性，虽然该组合在操作方面具有较强的便捷性，但燃点相对较低，一旦遇高温环境，即降低了其构件使用的安全系数，因而该材料在使用过程中，主要用于增强结构强度与节约工程成本。

四、对全FRP结构的介绍

鉴于FRP在力学方面的优势，例如，耐腐蚀性、绝缘性以及隔热性，使得其在设计和优化方面优势明显，全FRP结构具有不可替代的作用，在民用工程中应用较多。在当前的土木工程中，全FRP结构主要分为如下几种形式。

（一）对FRP桥面体系的分析

以FRP材料为基础，将材料结构作为重力承压组，以确保在使用过程中，材料能够避免受到环境及其余各方面的影响，同时可有效降低后期的维护成本，在质量与使用年限方面均能得到显著提升。

（二）对FRP轻质桥梁的分析

FRP轻质桥梁利用降低桥梁重力的方式来降低桥梁的基本受力，继而为桥梁提供更多的作用力与承载力，该材料结构承压方向与传统材料有较大差异。虽然可在较大程度上实现桥梁的多用途与轻量化，但其稳定差与受外部环境影响严重等问题，仍然需要在桥梁建筑中得以有效的解决，同时由于目前尚未对其形成统一的应用与建筑标准，因此研究应用效果难以符合预期项目规划要求。

（三）对FRP编制网结构的分析

该材料结构具有柔韧性强的基本特点，在实际使用过程中，即使受到高强度拉伸，也不易产生裂痕等问题，就安全性而言，优于多种FRP结构材料。在跨度较大的大型桥梁中，FRP编制网结构的应用范围较为广泛。

（四）FRP杆间空间结构分析

目前，FRP杆间空间结构多应用于环境恶劣的土木工程中，同时对跨度相对较大的桥梁也具有较好的应用效果。该结构外部主要以采用CFRP材料为主，通过节点与锥头的连接，来达到重量轻、耐腐蚀及施工街便捷的目的。该结构在工程成本控制方面也具有一定的优势。

（五）多种款式的FRP曲面结构物

该种类FRP是多种结构材料中，稳定性最好及应用效能最高的结构物，在促进桥梁多元化发展与提高桥梁可塑性方面，均有着难以替代的优势。在使用过程中，由于其优化设计相对合理，使其成本控制在相对较低的标准中，在非线型建筑中成为应用的主流。

五、结语

复合材料在土木工程建筑中优势明显，受其基本特性影响，复合材料能够有效适应不同的建筑环境，并在工程实际应用中提高工程质量与安全稳定性，继而使工程建筑达到预期的设计效果。复合材料在使用过程中，不易受到环境与其余外部因素的腐蚀，同时具有较强的耐磨性，在较大程度上提升了建筑工程的经济效益与社会效益。

参考文献：

[1]彭祥.浅析FRP复合材料在土木工程中的实践效果[J].四川水泥，2014，（11）.

（作者单位：长春建设集团股份有限公司）