) ) Q < ) Q < ) E ! 收稿日期 !! " # 男# 教授 #博士 # 主要从事土木工程的研究 ’ ’ # E Q * < N < H / 3 & 0 R / . , ’ 6 C , ’ ; . ! 作者简介 ! 王全凤 ! #M 2 O 2 十五 ) " > " = 计划基金资助项目 ! ! ) ) # FF = = " ) # ) ! 基金项目 ! 国家 (
摘要 !? # 及其在现代土木工程中应用 # 这是土木工程领域的 前 沿 @ A 复合材料 ! ? 3 B 6 -@ 6 3 . 0 % ; 6 CA & / 7 8 3 ; ? @ A" 对于这一领域的 研 究 工 作 # 目 前 国 内 刚 刚 起 步’ 文 中 在 综 合 有 关 资 料 的 基 础 上# 综述了国内外对 课题之一 ’ 介绍 ? ? @ A 复合材料及其在现代土木工程 中 应 用 的 研 究 ’ @ A 复合材料在现代土木工程中应用 的 关 键 技 术# 并展望 ? 应用前景 @ A ’ 关键词 !? @ A 复合材料 #土木工程 #工程应用 中图分类号 !D4* E E 文献标识码 !F
$!! " # 复合材料
$% $!! " # 复合材料特性 复合材料 ! " 是指两种以上 的 材 料 组 合 在 一 起 形 成 的 非 均 匀 材 料 ’ 事 实 上# 自然 G % H % 7 3 8 6J / 8 6 3 / & I 界中绝大多数物体都可视为复合材料 ’ 在土木工程界 # 最典型的复合材料是混凝土 ’ 在现代工业界 # 复合 材料是指人工制造合成的二相或多相材料 # 通常 一 相为 加 强 材 料 ! " # 另一相为基质! @ 6 3 . 0 % ; 6 J / 8 3 K" ’ 常用的加强材料有玻璃 ! " % 铜! % 石墨! " 或碳化硅! " 常用的基质材料有 L & / 7 7 G / B % ." L / M 3 8 6 A % & H 6 ’ I 9 各类聚合物 ! " # 如高分子聚合 物 % 低 分 子 聚 合 物% 热 固 性 聚 合 物 和 金 属% 陶 瓷 等’ 加强材料通常 A % & H 6 9 采用纤维 ! " 或颗粒 ! " 两种形式 ’ 在工业界最常采用的复合材料是加 强纤维 复合材 料 ! ? 3 B 6 A / 8 3 ; & 6 ? 3 B 6 # 复合材料的发展历史很短 # 最早的复合材料产生于 # 是玻璃纤维复合 @ 6 3 . 0 % ; 6 CA & / 7 8 3 ; ? @ A" ’ E = E年# 材料 ! & # 从# 工业界开始生产和应用复合材料 ’ L & / 7 7 N % K 3 B 6 -@ 6 3 . 0 % ; 6 CA & / 7 8 3 ; L ? @ A" ’ E * E 开始 # I 9? $% &!! " # 复合材料在土木工程中应用的优势 复合材料产生和发展的基本思想是充分发挥加强材料和基质的不同材料特性 # 并将其有机组合 # 使 复合材料具有传统材料所不具备的物理化学及力学特性 ’ 这种思想类似于钢筋混凝土的特性 # 利用钢筋 利用混凝土承担大部分受压应力 ’ 所不同的是 # 在复合材料中 # 绝大部分应力均由 承担大部分受拉应力 # 具有较高强度的纤维承担 # 而基质主要起传递剪力和包裹纤维的作用 ’ 正是复合材料可以有机组合不同 性质的材料 # 因此复合材料具有传统材料 ! 如钢材 " 无法比拟的优点 ’ 复合材料最重要的优点是具有非常 高的强度对重量比 ! " 及刚度对重量比 ! " # 因此复合材 : 8 6 . 8 M8 %P 6 3 M 8@ / 8 3 % : 8 3 0 0 . 6 7 8 %P 6 3 M 8@ / 8 3 % O O O 料广泛应用在航空 % 航天等要求轻质高强结构的领 域 ’ 此外# 复合 材 料 还 具 有 抗 疲 劳 % 抗 腐 蚀% 磁电屏蔽 及使用寿命长等优点 ’
万方数据
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华 侨 大 学 学 报 " 自 然 科 学 版# ) ) *年 !!!!!!!!!!!!!!!!!
但从 E 尤其 从 # 在土 木工程 中的 ? @ A 加强结构设计的标准和研究还相当匮乏 ’ ) 年代早期 ! E E " 年 开始 ! 在最近 # 有许多文献报道了 ? 一些特殊领域 ! ? @ A 的使用已经有了巨大发展 ’ ) 年中 ! @ A 在土木工 程中 的应用 ’ 第二届复合材料在桥梁和结构进展的国际会 议上 ! 有来自! )个国家的! Q S位作者提交# # E篇 文章涉及到 ? 这表明了 ? @ A 复合材料的应用 ! @ A 复合材料的应用正在引起广泛注意 ’ &’ $! 国外技术发展现状 美国材料咨询委员会 由于 ? @ A 复合材料特性奠定了 ? @ A 在土木 工 程 领 域 应 用 的 巨 大 技 术 优 势 ’ " 有! 且以每年= (JF T# # E > S 年的年度报告中指出 ! * =) ) ) 座混凝 土 桥 存 在 不 同 程 度 的 损 伤 ! *) ) )座 $ #% 的速度在增加 ’ 耗资E 英国 为解决 海洋环 # E E # 年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥 梁 ! # ) 亿美元 ’ 境下钢筋混凝土构筑物的腐蚀与防护问题 ! 每年就花费 将近 ! 英国英格兰岛中部环形线的快 ) 万英镑 ’ 车道有 # 建于 # 建 造 费 用 为 !> 建成两年后就发现有因钢筋锈蚀 # 座混凝土高架桥 ! E S !年! ) ) 万 英 镑’ 使混凝土发生顺筋裂缝的现象 ! 在# 修 补 费 用 已 高 达 Q* 为造价 E S Q$# E > E年的# * 年 期 间! ) ) 万 英 镑! $ !% 的 #’ 估计以后 # 累计接近造价的 " 倍 ’ 日本引以为豪的新干线使用 不 "倍! * 年还要耗费 #’ ! 亿英镑 ! 到# 就出现大面积混凝土开裂 & 剥蚀现象 ’ 我国混 凝土 工程 的耐 久 性 问 题 也 十 分 突 出 ! 据统计我国 )年! 既有的公路桥梁中危 桥约占 = 北 京 市的 多 座高 架 桥都 存在程 度不 同的耐 久性损 伤 ’ 从最早 期 的 *’ QU ! 国外 ? ? @ A 材料应用开始 ! @ A 材料在土木工程 中 的 研 究 和 应 用 的 历 史 已 有 近 = ) 年’ ! )世纪" ) 年 代! 美国即生产出早期的 L 日 本& 美 国 和 欧 洲 发 达 国 家 的 有 关 高 等 学 校& ? @ A 筋用于混凝土结构 ’ > ) 年 代! 科研机构和材料生产厂家在 ? 在土木工 程领域 进 @ A 材料用于工程结构加固方面投入了许多研究力量 ! 取得了一批富有成效的成果 ’ 特别是 E 特 别是 行大量的研究和广泛应用 ! ) 年代 !由于在欧 美一 些国家 ! 美国 ! 有大量的结构接近设计寿命或承载能力不足 ! 如何有效快速进行结构补强或置换成为学术研究的 热点 ’ 采用 L 由于 L # E E * 年日本阪神地震 ! ? @ A 对混凝 土 结 构 进 行 抗 震 加 固 ! ? @ A 现场加固技术具有 高强高效 & 施工便捷 & 耐久性好等优点 ! 为抗震救灾和震后恢复重建工作赢得了时间 ’ 在? 解决 @ A 筋混凝土方面 ! ? @ A 筋最主要 的 优 势 是 不 锈 蚀 和 高 强 度 ’ ? @ A 筋 可 以 替 代 普 通 钢 筋! 另外 ! 它们很轻 ! 没有磁性 ! 而且 拥有 非常 好 的 抗 疲 劳 性 ’ 据美国西弗吉尼亚 普通钢筋容易锈蚀的问题 ’ " # 大学研究 L 高强度 ? P 6 7 8$ 3 3 . 3 / ? @ A 筋的报告 ! @ A 筋混凝土梁比使用传统钢筋的梁显示出极大的 O 抗弯强度 ’ 美国在 # E > " 年建成了第 一 座 配 置 ? @ A 筋 的 预 应 力 混 凝 土 桥 梁’ # E > =年荷兰研制出芳纶纤 维" 预应力筋 ! 与普通钢筋混凝土构件相 比 ! 采用这种 F 从 F ? @ A# ? @ A 预 应 力 筋 不 需 要 混 凝 土 保 护 层! 而可以减小构件截面尺寸 ’ # E E Q 年加拿大建成了第一座采 取 L ? @ A 预应 力绞线 的公路 大桥 ’ # E E " 年在 美国西弗吉尼亚建造了第一座使用 ? 目 前! 采用 ? 技术也不 @ A 筋的 大 桥 ’ @ A 筋 混 凝 土 结 构 实 例 不 多! 完全成熟 ’ 其? 碳纤维" 或L 没有应用混凝土改性的 @ A 筋材料均为单一品种的 F ? @ A& G ? @ A# ? @ A! 其应用领域 ! 也大多局部于桥梁或有较高防腐要求的结构 ’ ? @ A 筋’ 在研究与应用的规范与标准化方面 ! 各国也给予了相当 的重 视 ’ # E E E 年 日本 土木学 会成立 ? @ A加 固委员会 ! 并完 成 了 使 用 ? 加 固 技 术 草 案’ @ A 片 材 的 混 凝 土 维 修& # E E #年美国混凝土协会成立了 负责开展 ? F G V Q Q ) 委员会 ! @ A 加固混凝土与 砌 体 结 构 的 研 究 ’ F G V Q ! =委员会负责开展 ? @ A 的 研 究! 目前已推出了有关设计指南 " 草案 # 此后 每两 ’ # E E =年 F G V在加拿大主办了第一届国际 ? @ A 专题会议 ! 年举办一次 ’ 欧洲 ( 高性能 ? 项目于 # 目前已 完成 ’ @ A 加固混凝土结构设计指南 ) E E S年# ! 月开始启动 ! 我国在 ? 到目前为止我国仅仅制定了一本关于碳纤维加 固混凝 @ A 加固的规范制定方面还是比较落后 !