复合纤维混凝土结构在水利工程中的研究与应用（李志伟,李国起,张金鹏,张淑桐）

时间：2021-01-12 08:03:36　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：开发研究的现代无金属水工结构即复合纤维混凝土结构在性能上完全能够满足建筑设计的要求，同时它具有低成本、抗老化、免维护等优点。天津市中小型水利工程众多，气候和水质对金属结构和钢筋混凝土腐蚀很大，降低了工程的使用寿命，每年都要投入大量的维护费用。经研究和试验，复合纤维混凝土结构完全可以在水利工程以及建筑工程中推广应用。该项技术具有十分显著的社会经济效益和环境保护效益。应用前景十分广阔。

关键词：无金属复合纤维混凝土结构防腐

1 复合纤维混凝土结构概念

复合纤维混凝土结构所指的复合纤维是指长纤维与环氧树脂胶的胶合体，通常称为纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymers），简记为FRP；
也有的称为复合纤维增强材料（Fiber Reinforced Composites），简记为FRC。高级的纤维材料和环氧树脂胶都是纳米级高科技材料,用它们复合而成的FRP具有纳米材料的性能。复合纤维作为一种建筑材料，国内外已经广泛应用于航空航天、能源交通、石油化工、军用装备、纺织机械、建筑材料、电子工程、医疗器械、文体器材等领域。

2 复合纤维混凝土结构的特性

复合纤维混凝土结构设计理论是借鉴钢筋混凝土结构的设计原理并结合复合纤维混凝土结构加固应用实例研究逐渐发展形成的。复合纤维混凝土结构设计照钢筋混凝土结构设计方法进行配筋，然后按照复合纤维和钢筋的抗拉强度进行截面面积换算出所需的复合纤维。

复合纤维混凝土结构，就是用复合纤维替代结构中的金属，或仿制、增强非金属材料，得到新型无金属结构，复合纤维混凝土结构的特性如下：

2.1 材料强度高

给出复合纤维代表性参数，以及与传统建筑材料比较的部分内容。

2.2 体积小，重量轻

由密度值可知复合纤维重量较轻，由于强度高，在同等强度条件下材料重量和体积将明显减小，这也意味着在结构抗震、抗爆破、抗风、抗侧向冲撞应用时，可明显减小水平向惯性力。体积小将更适用于建造抗强地震动和冲击波工程。

2.3 耐腐蚀

碳纤维材料的化学性质稳定，具有极佳的耐腐蚀性能及耐久性能，复合纤维布材可用于包裹结构构件外部来保护内部构件免遭腐蚀，因而粘贴碳纤维布加固修补混凝土结构有良好的耐腐蚀性和耐久性，抵抗建筑物经常遇到的各种酸、碱、盐对结构物的腐蚀。试验分析表明，0.8mm厚结构，纤维砌块结构和纯的复合纤维保护层可有效保护构件免遭腐蚀，寿命可超过90年；
有试验研究证明：在弱酸环境中，经一定次数冻融循环、一定次数干湿交替作用、一定光照时间后，在70℃水中浸泡30d，碳纤维布与混凝土间的粘接性能均无降低，耐久性能也很好；
热循环（20℃~-20℃）100次后，构件承载力仍无降低。

2.4耐火

早期复合纤维多用于缠绕增强枪筒、炮筒，在射击高温下仍可正常发射。高质量的复合纤维可抗大气层摩擦产生的2000度高温，是制造巡航导弹外壳的材料。钢的熔点只有1600oC，而碳纤维在2000oC高温下仍具有良好的摩擦性能，而密度只有钢的四分之一。它在高温下也不易膨胀，其热膨胀变形不会超过万分之一。目前转向民用的复合纤维中，环氧树脂胶一般均是阻燃的，而纤维本身在摄氏几百度高温时不丧失任何强度。

2.5 防水

由于复合纤维造价相对较高，从经济角度考虑，不适合做专门的防水材料，可考虑在主要利用其高强度特性的同时，兼顾利用其防水特性。特殊的环氧树脂胶粘贴复合纤维于水中构件上，这一加固可用潜水员水下作业完成。

2.6无磁

复合纤维本身就是制造隐形飞机的原材料。目前转向民用的复合纤维材料经多次磁性检测也证明是无磁的，因此，在地震监测预报地磁房建设以及广播、通讯、气象监测等领域，都会满足无磁结构建筑要求，具有广阔的实际应用前景。

2.7形状可塑

复合纤维胶合体可按模具胶合成形，因此可按结构抗力，设计和配置材料分布，对实现最优化理论结构设计至关重要。而钢材形状可塑性非常差，即使它由直线弯成设想形状，它的各方面强度也会大打折扣。

2.8安装简单，对环境干扰小

在修复工程中，与粘钢、铆筋等技术相比，施工简单，对居民居住、道路交通或工厂生产等影响较小，在经济效益上可明显节省安装费用，并且基本上不改变结构原设计刚度。成品复合纤维布材加固材料是一种幅宽不等，长度为50~100m卷成卷的织物，现场使用时可根据需要用剪刀任意裁剪，而不需要专门的切割工具。据统计，粘贴复合纤维布材是粘贴钢板施工工效的4~8倍。

2.9不减少建筑物的使用空间

复合纤维布材料质轻且薄，其密度仅为1.76g/cm3，粘贴一层的厚度仅1.0mm左右。加固修补后，基本不增加原结构自重及原构件尺寸，从而有利于保证原有建筑物的使用空间。

2.10环保效果明显

复合纤维材料属于石油化工产品，与传统建筑材料生产工艺相比，环境污染和破坏明显减小，会明显节省原材料资源，根据环保的需要有望替代部分传统建筑材料。

2.11 价格低廉

复合纤维这样的化工产品成本很低，但目前复合纤维价格的确定因市场需求浮动，在同等强度要求下复合纤维价格低于钢材价格。复合纤维混凝土水工闸门模板制作、混凝土配比、浇注和养护与一般钢筋混凝土相同。不同点在于复合纤维筋制作处理上，独立的纤维丝不能很好地发挥其抗拉强度高的优点，一般将其与环氧树脂复合加工成复合纤维筋作为复合纤维混凝土中的主要受拉材料。同时在制作复合纤维筋时，施加第一层次预应力。为了解决复合纤维混凝土结构握裹力不足问题，在加工过程中把复合纤维制作成复合纤维环筋和复合纤维锚筋。模拟闸门入水后最不利受力工况，通过预先安装的应变片和千分表，根据有关规范要求，对复合纤维混凝土水工闸门变形进行监测。通过测试数据分析闸门受力变形趋势，并根据该闸门实际应用效果，对纤维混凝土水工闸门综合性能作出评价。

3 复合纤维混凝土结构工程应用实例

2002年天津市水利局在津南区双桥河南闸进行了复合纤混凝土闸门的试验研究。双桥河南闸3.3*5m两孔钢结构闸门，自1970年修建以来，因其处于淡水、海水、污水交汇区域，水工建筑物受到很大的侵蚀破坏，钢结构闸门经历了多次翻修维护，已不能正常使用。为了对比实验研究，本次对双桥河南闸其中一孔更换成复合纤维水工闸门，另一孔仍为钢结构闸门。2002年5月完成现场安装，经过试用观测，闸门表现出优良的性能。复合纤维筋抗拉强度达到3000MPa，弹性模量210MPa；
复合纤维混凝土强度C25，抗渗等级W6，抗冻等级F300，允许挠度小于L0/500，经过几年的运行，效果良好，而另一孔钢结构闸门运行一年后就锈蚀严重。2005年专家鉴定会上，该项成果被评为国际先进水平，并先后获得国家发明专利2项，国家实用新型专利2项。复合纤维混凝土不仅适用于水利工程，小型水闸的底板、翼墙、闸墩、机架桥以及水上移动式码头等，同时也可应用于整个建筑领域，推广应用前景十分广阔。

4 复合纤维混凝土结构应用前景

复合纤维混凝土结构主要包括纤维混凝土结构、纤维砌块结构和纤维仿木结构，是以复合纤维（玻璃纤维、芳伦纤维、碳纤维、玄武岩纤维）替代金属而构造成能够保持金属结构原有优良性能的无金属结构。复合纤维在工程建设中作为一种新材料，在力学性质上完全能够满足建筑结构设计要求，已经在国内外建筑和桥梁中已经得到应用。

天津地处渤海湾，九河下梢，水利工程众多，其中小型水工建筑上千座，大部分为钢筋混凝土结构和钢结构，少部分闸门为木结构。由于水位变化，建筑物经常处于湿干交替环境中和空气或水中各种化学介质易产生电化学作用，在水位变化区，钢结构及混凝土钢筋锈蚀很严重。天津市潮湿的气候和空气中的盐份等腐蚀性介质相对较高，地面以下的结构工程，由于海相沉积土作用，浅层地下水含盐碱量大，对钢结构和钢筋混凝土结构有严重的腐蚀作用。除此以外，由于经济发展带来的环境负面影响，许多的河道变为排污河道，污水对水工结构的腐蚀也很严重。复合纤维混凝土结构就是用复合纤维替代了钢筋，其耐腐性能又明显强于混凝土或砖、石。因此在水利工程结构中会成倍延长工程结构的寿命。

复合纤维混凝土结构造价明显低于具有同样功能的钢闸门和钢筋混凝土，根据施工综合成本测算，其成本比钢筋混凝土节约30%以上。同时其耐腐蚀，耐老化、终生免维护的特性，省去了大量的维护维修资金，而且设计使用寿命可达50a。

小型水利设施常常在野外，无人值守的居多，日常巡视很难到位。钢结构和钢筋混凝土除了遭受环境破坏以外，还经常遭受人为的破坏。由于钢铁回收价值高，不法分子对钢结构建筑破坏严重，给水利和工农业生产造成很大的影响，每年要投入很大的力量来解决这样的问题。由于复合纤维混凝土采用廉价的纤维增强聚合物，在建设成本低廉的同时，回收价值也很低，能够有效的避免野外设施设备被偷盗问题，使得犯罪分子无利可图。这样就减少了因偷盗给工程本身带来的损失和由此带来的工农业生产的损失。

5 结语

随着复合纤维混凝土结构在建筑、水利行业的不断推广应用，尽早出台现代无金属水工结构设计规程已是当务之急，有关部门应给与关注与支持，以便在今后的无金属结构设计中更加规范。

参考文献

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