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摘要：分析了纤维增强材料的组成和制备工艺，然后分析了纤维增强材料的力学性能，在此基础上对纤维增强材料土木工程中的应用进行阐述，包括在在岩土工程中的应用、在桥梁中的应用、在海洋工程中的应用、在特殊工程中的应用。
关键词：纤维增强材料，土木工程，纤维增强材料
中图分类号： S561文献标识码： A
1 引言
在当前的各类土木工程中，亟需解决的一个问题便是由于钢筋与氧元素发生反应引起锈蚀，最终导致钢混结构遭到，影响到建筑体的质量与寿命。结合有关研究的统计数据，由于钢筋的锈蚀而引起的混凝土破坏比例占到左右工程的56.5%。在美国，每年用于修复此项损伤的资金便达到近千亿元。本文研究了纤维增强材料在土木工程中的应用，对于提升建筑质量和寿命具有比较好的理论价值和实践意义。
2纤维增强聚合物筋的组成和制备工艺
纤维增强聚合筋是由纤维、树脂基体材料、辅助剂按照不同的比例混合，通过各种制作工艺加工而成的复合材料。纤维增强聚合物筋在实际工程中采用的纤维种类有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维；常用的纤维增强聚合筋的基体为树脂、陶瓷、碳素、金属等。纤维为复合材料提供了强度，其在筋中的作用主要是承载。不同制备工艺得到的产品形式也不同。纤维增强聚合筋是采用单向成型工藝，主要是拉挤成型，即将单向长纤维束与树脂混合成型，再对其表面进行处理，经过处理后可增强与混凝土的粘结。拉挤成型的工艺设备是拉挤机，工艺过程分别是排纱、浸渍、成型与固化、牵引、切割。其工艺是将纤维束处理后，通过送纱装置连续喂入，经过树脂胶槽将纤维浸渍，再经过固化室，让树脂在室内发生硬化，按此流程可制成连续的纤维增强复合材料制品,生产筋材时，表面多做成条纹状或砂粒状，或者在筋材表面覆粒状物或短纤维，还可以采用机械法直接进行表面加工，如压制波纹。此外纤维增强聚合筋可塑性好，有时也制作成扁平状。
2纤维增强材料力学性能分析
2.1纤维增强材料的抗拉强度分析
纤维增强材料具有很好的抗拉强度，其平均抗拉强度能够到三千兆帕。即使已经达到其抗拉的极限，材料也不存在变形。纤维增强材料的抗拉强度与基体情况相关，对于来自基体的剪力能够传递。纤维增强材料尺寸的直径和应力成正比，横断面处往往有剪力滞后现象发生。
2.2纤维增强材料应力应变分析
纤维增强材料的此项力学性能为比较标准的线性关系，数据表明，纤维增强材料不会产生任何的塑性变形，直至抗拉极限。并且纤维增强材料与传统钢筋材料相比，极限应变只有后者的30%。由此可知纤维增强材料抗拉强度高而弹性模量小，所以性能更佳，不但可以在构件一旦发生开裂的时候提供足够的挠度，而且还能够明显抵消收缩与徐变导致的应力变化。
2.4纤维增强材料松弛徐变分析
纤维增强材料的松弛基本上很少发生，首要的原因是材料生产中的控制不足导致。纤维增强材料在施加一定的荷载的时候，负载的一部分会由纤维增强材料基质承担，而在时间突破某一阈值的时候，纤维增强材料便会在某种程度上蠕变，从而把一部分荷载传导至纤维。这项性能类似于钢筋，但是由于纤维增强材料的长期应力松弛比钢筋小很多，因此还是具备一定的优势。当纤维增强材料混应用于混凝土工程的时候，假如不是在一些特殊环境中，则徐变的几率很小。
3 纤维增强材料在土木工程的应用
3.1纤维增强材料在岩土工程中的应用
在岩土工程的进行中，地质体十分复杂多样。为了避免由于地质构造的原因而引发的坍落、沉降等风险，这类工程中必须采取诸如。锚固。等措施，而其中的锚杆起到了重要的作用。传统的锚杆由高性能的钢绞线构成，随着地下水对锚杆的腐蚀，锚固工程的强度和稳定性往往会遭到较为严重的破坏，甚至使工程失效，发展成严重事故。纤维增强材料由于构成材料之中不含有金属成分，所以有着较好的耐腐蚀性能，以纤维增强材料来替代锚杆中的钢绞线，能够同样实现对岩土工程加固的目标。纤维增强材料中的碳与芳纶组成部分有着很好的抗拉性能和耐腐蚀性能，从而大幅提升工程的质量和寿命。
3.2纤维增强材料在桥梁工程中的应用
在土木工程的受弯构件中，纤维增强材料优异的物理性能能够得到发挥。但是考虑到这种材料没有很好的耐火性，所以加入工程涉及到人类居住的室内环境，则不宜过多使用。纤维增强材料比较适合于桥梁工程的应用，原因在于桥梁工程中含有许多受弯构件，不但需要能够较好的承受弯矩与剪力，还需要承受轴力，通常是以钢筋结构来实现。由于纤维增强材料和钢筋相比，拥有更好的抗拉强度，所以完全能够替代桥梁受拉区的钢筋。除了大型桥梁之外，城市中的人行天桥同样可以引入纤维增强材料，从而发挥其大强度和低重量的优势，一方面减轻人行天桥的自重，另一方面也增加了城市环境的安全性。
3.3纤维增强材料在海洋工程的应用
海洋工程由于环境复杂，加之海水的腐蚀性高，所以如何实现工程结构的防腐是最为关注的问题。海洋工程的传统模式是钢混结构，即使以厚度最高的混凝土进行设计，也只能保证工程耐久性超过二十年，难以满足工程的实际需求。因为基于纤维增强材料的工程结构能够达到抗腐蚀目标，所以以纤维增强材料提到海洋工程的钢筋，能够解决其所面临的腐蚀问题，对于工程寿命和性能的提升具有重要意义。在一些沿海城市的工程中，因为海风携带着盐分，会导致建筑钢筋的锈蚀以及损坏。将纤维增强材料用于种类建筑体，可以圆满地避免锈蚀。当前，一些发达国家的沿海城市，包括美国和日本等，均已经开始以纤维增强材料替代钢筋结构，取得了较好的效果。
3.4纤维增强材料在特殊工程的应用
纤维增强材料还能够在一些特殊工程中发挥作用，首先，在非磁性结构工程，假如使用钢筋材料，则难以确保绝缘性能，而纤维增强材料具有天然的电绝缘性，可以应用在诸如机场、核电站等土木工程中。此外，在高寒环境中，由于钢筋混凝土结构的工程面临着较高的维护费用，因此用纤维增强材料筋作为替代品，一方面延长了寿命，另一方面则大幅减少了维护成本。
4 结束语
随着科学研究和开发的进展，纤维增强材料已经在建筑材料中占有一席之地，其最终的发展目标并非对现有的混凝土结构取而代之，而是作为有益的补充，与之共同发挥作用。当前，基于纤维增强材料的应用是世界建筑领域之内的研究热点，我国只有加强这方面的理论和应用研究，才能逐步与世界建筑发展趋势接轨，并树立自身的核心竞争力，实现土木工程的可持续发展。
参考文献：
[1]张新越，欧进萍，王勃，何政.不同种类G纤维增强材料筋的力学性能试验比较[J].玻璃钢/复合材料，2011，（2）:9～10.
[2] DunkerKF.WhyAmericanbridgesarecrumbling[J].Scientific American，2012，(3):31～37.
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关键词：纤维增强材料，土木工程，纤维增强材料
中图分类号： S561文献标识码： A
1 引言
在当前的各类土木工程中，亟需解决的一个问题便是由于钢筋与氧元素发生反应引起锈蚀，最终导致钢混结构遭到，影响到建筑体的质量与寿命。结合有关研究的统计数据，由于钢筋的锈蚀而引起的混凝土破坏比例占到左右工程的56.5%。在美国，每年用于修复此项损伤的资金便达到近千亿元。本文研究了纤维增强材料在土木工程中的应用，对于提升建筑质量和寿命具有比较好的理论价值和实践意义。
2纤维增强聚合物筋的组成和制备工艺
纤维增强聚合筋是由纤维、树脂基体材料、辅助剂按照不同的比例混合，通过各种制作工艺加工而成的复合材料。纤维增强聚合物筋在实际工程中采用的纤维种类有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维；常用的纤维增强聚合筋的基体为树脂、陶瓷、碳素、金属等。纤维为复合材料提供了强度，其在筋中的作用主要是承载。不同制备工艺得到的产品形式也不同。纤维增强聚合筋是采用单向成型工藝，主要是拉挤成型，即将单向长纤维束与树脂混合成型，再对其表面进行处理，经过处理后可增强与混凝土的粘结。拉挤成型的工艺设备是拉挤机，工艺过程分别是排纱、浸渍、成型与固化、牵引、切割。其工艺是将纤维束处理后，通过送纱装置连续喂入，经过树脂胶槽将纤维浸渍，再经过固化室，让树脂在室内发生硬化，按此流程可制成连续的纤维增强复合材料制品,生产筋材时，表面多做成条纹状或砂粒状，或者在筋材表面覆粒状物或短纤维，还可以采用机械法直接进行表面加工，如压制波纹。此外纤维增强聚合筋可塑性好，有时也制作成扁平状。
2纤维增强材料力学性能分析
2.1纤维增强材料的抗拉强度分析
纤维增强材料具有很好的抗拉强度，其平均抗拉强度能够到三千兆帕。即使已经达到其抗拉的极限，材料也不存在变形。纤维增强材料的抗拉强度与基体情况相关，对于来自基体的剪力能够传递。纤维增强材料尺寸的直径和应力成正比，横断面处往往有剪力滞后现象发生。
2.2纤维增强材料应力应变分析
纤维增强材料的此项力学性能为比较标准的线性关系，数据表明，纤维增强材料不会产生任何的塑性变形，直至抗拉极限。并且纤维增强材料与传统钢筋材料相比，极限应变只有后者的30%。由此可知纤维增强材料抗拉强度高而弹性模量小，所以性能更佳，不但可以在构件一旦发生开裂的时候提供足够的挠度，而且还能够明显抵消收缩与徐变导致的应力变化。
2.4纤维增强材料松弛徐变分析
纤维增强材料的松弛基本上很少发生，首要的原因是材料生产中的控制不足导致。纤维增强材料在施加一定的荷载的时候，负载的一部分会由纤维增强材料基质承担，而在时间突破某一阈值的时候，纤维增强材料便会在某种程度上蠕变，从而把一部分荷载传导至纤维。这项性能类似于钢筋，但是由于纤维增强材料的长期应力松弛比钢筋小很多，因此还是具备一定的优势。当纤维增强材料混应用于混凝土工程的时候，假如不是在一些特殊环境中，则徐变的几率很小。
3 纤维增强材料在土木工程的应用
3.1纤维增强材料在岩土工程中的应用
在岩土工程的进行中，地质体十分复杂多样。为了避免由于地质构造的原因而引发的坍落、沉降等风险，这类工程中必须采取诸如。锚固。等措施，而其中的锚杆起到了重要的作用。传统的锚杆由高性能的钢绞线构成，随着地下水对锚杆的腐蚀，锚固工程的强度和稳定性往往会遭到较为严重的破坏，甚至使工程失效，发展成严重事故。纤维增强材料由于构成材料之中不含有金属成分，所以有着较好的耐腐蚀性能，以纤维增强材料来替代锚杆中的钢绞线，能够同样实现对岩土工程加固的目标。纤维增强材料中的碳与芳纶组成部分有着很好的抗拉性能和耐腐蚀性能，从而大幅提升工程的质量和寿命。
3.2纤维增强材料在桥梁工程中的应用
在土木工程的受弯构件中，纤维增强材料优异的物理性能能够得到发挥。但是考虑到这种材料没有很好的耐火性，所以加入工程涉及到人类居住的室内环境，则不宜过多使用。纤维增强材料比较适合于桥梁工程的应用，原因在于桥梁工程中含有许多受弯构件，不但需要能够较好的承受弯矩与剪力，还需要承受轴力，通常是以钢筋结构来实现。由于纤维增强材料和钢筋相比，拥有更好的抗拉强度，所以完全能够替代桥梁受拉区的钢筋。除了大型桥梁之外，城市中的人行天桥同样可以引入纤维增强材料，从而发挥其大强度和低重量的优势，一方面减轻人行天桥的自重，另一方面也增加了城市环境的安全性。
3.3纤维增强材料在海洋工程的应用
海洋工程由于环境复杂，加之海水的腐蚀性高，所以如何实现工程结构的防腐是最为关注的问题。海洋工程的传统模式是钢混结构，即使以厚度最高的混凝土进行设计，也只能保证工程耐久性超过二十年，难以满足工程的实际需求。因为基于纤维增强材料的工程结构能够达到抗腐蚀目标，所以以纤维增强材料提到海洋工程的钢筋，能够解决其所面临的腐蚀问题，对于工程寿命和性能的提升具有重要意义。在一些沿海城市的工程中，因为海风携带着盐分，会导致建筑钢筋的锈蚀以及损坏。将纤维增强材料用于种类建筑体，可以圆满地避免锈蚀。当前，一些发达国家的沿海城市，包括美国和日本等，均已经开始以纤维增强材料替代钢筋结构，取得了较好的效果。
3.4纤维增强材料在特殊工程的应用
纤维增强材料还能够在一些特殊工程中发挥作用，首先，在非磁性结构工程，假如使用钢筋材料，则难以确保绝缘性能，而纤维增强材料具有天然的电绝缘性，可以应用在诸如机场、核电站等土木工程中。此外，在高寒环境中，由于钢筋混凝土结构的工程面临着较高的维护费用，因此用纤维增强材料筋作为替代品，一方面延长了寿命，另一方面则大幅减少了维护成本。
4 结束语
随着科学研究和开发的进展，纤维增强材料已经在建筑材料中占有一席之地，其最终的发展目标并非对现有的混凝土结构取而代之，而是作为有益的补充，与之共同发挥作用。当前，基于纤维增强材料的应用是世界建筑领域之内的研究热点，我国只有加强这方面的理论和应用研究，才能逐步与世界建筑发展趋势接轨，并树立自身的核心竞争力，实现土木工程的可持续发展。
参考文献：
[1]张新越，欧进萍，王勃，何政.不同种类G纤维增强材料筋的力学性能试验比较[J].玻璃钢/复合材料，2011，（2）:9～10.
[2] DunkerKF.WhyAmericanbridgesarecrumbling[J].Scientific American，2012，(3):31～37.
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