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摘要：近年来，土木工程学科中，一类新型的结构材料发展势头十分迅猛，它就是纤维增强复合材料，由碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等原材料组成，兼具高性能纤维与高性能树脂的基体混合而成后获得的基础特性，在力学、物理、化学方面均有不俗表现，逐渐在土木工程作业补充、替代传统土木材料。本文将从复合材料在土木工程中得到应用的历程入手，浅析其发展方向与未来预期。
关键词：复合材料；土木工程；结构组合
复合材料在近年来广泛的应用在土木工程中，该种材料是由玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶等高性能树脂与纤维混合而成，经过特殊的加工工艺制作而成。这种新型复合材料强度高、质量轻、施工成型方便、耐腐蚀性能高，成为钢材、混凝土等材料的补充，在土木工程的发展中有着良好的应用趋势。
1.复合材料的发展历程
上世纪五十年代，土木工程工作者开始尝试将纤维增强复合材料用于民用建筑之中，如民用住宅、桥梁等。在复合材料技术发展初期，这些结构均通过匠人手糊的工艺完成，尽管有着突破性的发展，然而，仍存在人工成本高、建筑结构不牢固等明显缺点。在上世纪七、八十年代，混凝土构建内加入玻璃纤维等复合材料成为土木工程行业的研究重点，通过复合材料代替钢筋的理论首次被提出，并逐步投入实验。1982年，首个由复合材料构筑而成的世界上第一座FRP公路桥——北京密云蜂窝箱量公路桥，于下半年正式交付使用，这意味着复合材料技术与土木工程的大规模结合应用的开端。二十世纪末，经过了美国与日本的两场地震，土木工程工作者在震后修复的过程中发现了复合材料的突出优势，并逐渐得到了工程界的广泛认可。
由此，复合材料以其轻便易携带、可承担高强度压强、施工方便、成型快、耐腐蚀等优点，逐渐成为土木工程施工中的重要原材料，逐步取代了混凝土、钢材等传统结构材料，并合理应用于各类结构物中。据估算，21世纪以来，我国每年在土木工程施工作业中使用的复合材料高达2000吨/年，这一数字仍在连年增长中，可以说，复合材料的研究已经成为土木工程发展的重要方向。
2.复合材料的应用现状
目前，复合材料在土木工程行业中多应用于工程结构加固、与传统材料结合、替代钢筋及钢索、全结构工程建造等。其中，最常见的有以下两种。
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2.1 工程结构加固
研究表明，将复合材料通过焊接、衔接、融化等方式附着在构件的外层表面，可以有效增强原部件的受力效果，起到结构加固的作用。这种应用方式常用于钢丝与混凝土共同工作的情况下。这种形式下的复合材料架构结构修复技术防腐性能较好，在欧美、日本等发达国家得到了迅猛发展与实际应用，并在后续的一系列重大工程中证实了复合材料优越的加固性能，为建筑的快速建设提供了有力保障。
从全球行业整体发展情况看，复合材料目前已经成功应用于各类型建筑的加固中，如混凝土结构、钢结构、木结构中。在桥梁、隧道、港口、管道等多种建筑结构类型中均有良好的表现。
2.2 结合传统材料
在当下的土木工程多采用传统材料与复合材料组合的形式，不同种类之间实现优势互补，形成全新的结构体系。作为一种高性能的结构材料，复合材料有着传统材料所没有的强可塑性，可满足各类型设计理念的要求，构成形式极为丰富。目前，最典型组合方式有复合材料-混凝土、复合材料-钢管-混凝土、复合材料-混凝土组合梁、复合材料-铝合金组合构件、复合材料-木组合构件等。
与传统材料的结合可以提升原本结构的受力性能，降低自重，提升抗弯性能，降低混凝土部门所受到的约束力，保护钢管降低侵蚀腐朽所造成的损害，提升变形性能，提高施工速度，大大加强耐久性，升级其基础受力性能，将组合构件作为永久性模板，降低施工难度。同时，由于传统材料的混入，可以避免复合材料的质量过轻、强度过高、无磁性、耐腐蚀性差、脆性大、连接性能差等特点，综合多种材料的受力特点，优势互补、激发潜在能量，研发出更为优越的新型材料，实现更为良好的综合性能，研发更为成熟的土木工程技术。
2.3 复合材料组合结构
复合材料复合结构是将不同形式、类型的材料混合应用，实现优势互补，构建出新的结构形式，有着良好的可设计性，组合结构相对传统结构在耐腐蚀、轻量化等方面具有显著的优势，同时相对全结构在受力方面可避免脆性破坏，且降低了造价，因此具有显著的优势。
3.结束语
与传统结构相比，复合材料组合结构有着明显的优势，如耐腐蚀、轻量化、成本低、抗弯性能气强、约束力小等特点，目前已得到全球土木行业研究者的广泛重视，并针对这一课题展开各类别的实验探究。与其他应用领域不同，土木工程所面向的应用对象年限长、面积大，应用条件十分复杂。复合材料的出现让土木工程更为现代化，想必在可预见的未来阶段，复合材料将诞生出更多的应用形式，更好的为人类社会来服务。
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论文作者:帖千枫
论文发表刊物:《科技中国》2016年12期
论文发表时间:2017/3/16
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