复合材料在建筑及防腐蚀领域的使用现状及发展方向

复合材料在建筑及防腐蚀领域的复合材料在建筑及防腐蚀领域的使用现状及发展方向使用现状及发展方向中冶集团建筑研究总院中冶集团建筑研究总院张大厚张大厚20072007。。1212贵阳贵阳„„【【摘要摘要】】本文通过对当前国内复合材料在本文通过对当前国内复合材料在建筑、防腐蚀领域的应用历史、现状进行建筑、防腐蚀领域的应用历史、现状进行总结，并结合国外发达国家在相关领域的总结，并结合国外发达国家在相关领域的应用经验进行简要介绍，并结合我国复合应用经验进行简要介绍，并结合我国复合材料原材料的供应现状，提出复合材料在材料原材料的供应现状，提出复合材料在建筑、防腐蚀领域的发展方向和趋势，供建筑、防腐蚀领域的发展方向和趋势，供国内同行参考。国内同行参考。„„【【关键词关键词】】复合材料复合材料建筑建筑防腐蚀防腐蚀现状现状发展发展本文的目的，是希望能起到抛砖引玉本文的目的，是希望能起到抛砖引玉的作用，在简要介绍发达国家的作用，在简要介绍发达国家FRPFRP材料在材料在建筑、防腐蚀领域的应用情况的基础上，建筑、防腐蚀领域的应用情况的基础上，为国内为国内FRPFRP同行开拓思路，共同拓展我国同行开拓思路，共同拓展我国FRPFRP材料的应用领域，使得我国材料的应用领域，使得我国FRPFRP行业能行业能够以此为借鉴，并结合我们国内的现实情够以此为借鉴，并结合我们国内的现实情况，将我国的况，将我国的FRPFRP产业做强、做大，为我产业做强、做大，为我国的现代化建设，做出我们应有的贡献。国的现代化建设，做出我们应有的贡献。11、复合材料在建筑领域的应用、复合材料在建筑领域的应用„„1.11.1在承重结构方面的应用在承重结构方面的应用应用范围：应用范围：⑴、主要在一些有特殊要求的建（构）⑴、主要在一些有特殊要求的建（构）筑物的柱、梁、桁架、屋面板、楼板、门筑物的柱、梁、桁架、屋面板、楼板、门窗、操作平台；窗、操作平台；⑵、野营用的活动房屋；⑵、野营用的活动房屋；⑶、微波通信设施的围护结构；⑶、微波通信设施的围护结构；⑷、军用小型活动堡垒等。⑷、军用小型活动堡垒等。„„1.1.1FRP1.1.1FRP整体建筑物整体建筑物⑴、早在⑴、早在2020世纪世纪7070年代，年代，GFRPGFRP材料材料就开始在建筑中应用，主要是在墙体、地就开始在建筑中应用，主要是在墙体、地面、门窗、临时建筑的屋顶等等非结构构面、门窗、临时建筑的屋顶等等非结构构件或承受很小荷载的构件中。件或承受很小荷载的构件中。⑵、近年来，⑵、近年来，FRPFRP产品的种类更加丰产品的种类更加丰富，性能和生产工艺也有了很大的改进。富，性能和生产工艺也有了很大的改进。FRPFRP材料开始以轻质高强的特点在大跨结构材料开始以轻质高强的特点在大跨结构中崭露头角。中崭露头角。„„日本首先在三岛市民游泳馆首先采用了日本首先在三岛市民游泳馆首先采用了CFRPCFRP网网架结构，获得了很好的架结构，获得了很好的效果。。我国台湾生产的我国台湾生产的CFRPCFRP网架杆件。网架杆件。„„CFRPCFRP网架的特点：网架的特点：★★CFRPCFRP网架结构重量轻；网架结构重量轻；★★施工强度小，周期短施工强度小，周期短；；★★耐腐蚀性好，维护费用低；耐腐蚀性好，维护费用低；★★线胀系数小，大跨度温度效应小。线胀系数小，大跨度温度效应小。★★CFRPCFRP网架的造价是钢网架的网架的造价是钢网架的22倍，而维护费倍，而维护费用是钢网架的用是钢网架的1/51/5。。CFRPCFRP网架和钢网架在第网架和钢网架在第88年年持平，此后持平，此后CFRPCFRP网架的费用就少于钢网架。网架的费用就少于钢网架。„„FRPFRP制成的轻质屋盖：制成的轻质屋盖：这种这种FRPFRP屋面板可以做成弧形屋面板可以做成弧形、拱、拱形、壳形甚至更加复杂的形状，也可以通形、壳形甚至更加复杂的形状，也可以通过树脂填料制成各种鲜艳而且不会褪去过树脂填料制成各种鲜艳而且不会褪去的的颜色颜色，且本身能够隔热保温。，且本身能够隔热保温。日本日本TorayToray公司生产这种屋面体系时，公司生产这种屋面体系时，在在GFRPGFRP面板表面覆盖了面板表面覆盖了CFRPCFRP，使耐久性，使耐久性和力学性能得到了极大的改善。和力学性能得到了极大的改善。美国美国StrongwellStrongwell公司于公司于19911991年在亚特兰大年在亚特兰大5555层高的层高的CC＆＆SS大厦顶部，建造了一大厦顶部，建造了一座高度达座高度达11.285m(3711.285m(37英尺英尺))的全复合材料螺旋状金叶顶，成为亚特兰大市区的地标的全复合材料螺旋状金叶顶，成为亚特兰大市区的地标性建筑，实际应用为通信塔。性建筑，实际应用为通信塔。1.1.2FRP1.1.2FRP构筑物构筑物美国科罗拉多公园了望塔美国科罗拉多公园了望塔FRPFRP螺旋梯螺旋梯某设施的某设施的33层防火逃生楼梯层防火逃生楼梯圣巴巴拉附近的全圣巴巴拉附近的全FRPFRP气象测试塔气象测试塔大型工业冷却塔内部的全大型工业冷却塔内部的全FRPFRP构件构件高度达高度达18.91m18.91m（（6262英尺）英尺）1.1.31.1.3在桥梁上的应用在桥梁上的应用„„国内：国内：⑴、⑴、很早就采用很早就采用FRPFRP建造人行过街天桥、公路桥；建造人行过街天桥、公路桥；⑵、碳纤维与竹纤维复合公路桥；⑵、碳纤维与竹纤维复合公路桥；„„在国外，此类案例较多：在国外，此类案例较多：⑴、⑴、全全FRPFRP材质的桥梁：采用材质的桥梁：采用FRPUFRPU形梁作为主要的形梁作为主要的承重结构，然后在其表面铺设承重结构，然后在其表面铺设FRPFRP夹层结构面板；夹层结构面板；⑵、⑵、采用钢结构或混凝土与采用钢结构或混凝土与FRPFRP混合结构，利用钢混合结构，利用钢结构或混凝土梁作为主要承载结构，而采用结构或混凝土梁作为主要承载结构，而采用FRPFRP拉挤型拉挤型材的组合构件作为面层结构；材的组合构件作为面层结构；⑶、⑶、还有采用全还有采用全FRPFRP材质斜拉桥的建设案例材质斜拉桥的建设案例。。FRPUFRPU型结构作为桥梁的承重结构型结构作为桥梁的承重结构„„建造于建造于19971997年年的丹麦的丹麦KoldingKolding人行人行桥（全桥（全FRPFRP材材质斜拉桥）质斜拉桥）„„右图所示的吊右图所示的吊桥，双向桥，双向44车道，车道，日通车量高达日通车量高达3000030000辆。原为辆。原为建造于建造于19121912年的年的钢结构吊桥，吊钢结构吊桥，吊桥部分长度为桥部分长度为42.742.7米（米（140140英英尺），是当时世尺），是当时世界第界第1717长度吊长度吊桥。由于几次延桥。由于几次延长使用寿命，桥长使用寿命，桥梁各部位腐蚀严梁各部位腐蚀严重，在服役重，在服役9090年年后，于后，于20042004年被年被全全FRPFRP材质的桥材质的桥面板所取代。面板所取代。1.1.3.2FRP1.1.3.2FRP桥与其他材质桥梁的经济性比较桥与其他材质桥梁的经济性比较„„有几位日本学者曾经对有几位日本学者曾经对FRPFRP桥梁与混凝土桥桥梁与混凝土桥梁的全寿命成本进行过详细的调查分析及梁的全寿命成本进行过详细的调查分析及计算对比，参照物为如下图所示的位于日计算对比，参照物为如下图所示的位于日本冲绳的全本冲绳的全FRPFRP道路公园步行桥，建于道路公园步行桥，建于20002000年，是日本第一座建于海岸附近的年，是日本第一座建于海岸附近的FRPFRP桥。作者依照不同材质、不同防腐蚀维桥。作者依照不同材质、不同防腐蚀维修方案及费用情况，进行对比计算，其结修方案及费用情况，进行对比计算，其结果如下表所示。果如下表所示。„„日本冲绳的道路公园桥日本冲绳的道路公园桥„„““CASECASE－－11””表示混凝土桥梁采用了表示混凝土桥梁采用了22种常规的防腐蚀措施；种常规的防腐蚀措施；„„““CASECASE－－22””表示混凝土桥梁采用了环氧涂层的预应力钢筋；表示混凝土桥梁采用了环氧涂层的预应力钢筋；„„““CASECASE－－33””表示混凝土桥梁采用了环氧涂层的预应力钢筋，外加表示混凝土桥梁采用了环氧涂层的预应力钢筋，外加表面涂装防腐；表面涂装防腐；„„““CASECASE－－44””表示全表示全FRPFRP材质的桥梁（一跨）；材质的桥梁（一跨）；„„““CASECASE－－55””表示全表示全FRPFRP材质的桥梁，但在材质的桥梁，但在““CASECASE－－44””的基础上做的基础上做出如下修改：出如下修改：a.a.将桥梁扶手改为铝合金；将桥梁扶手改为铝合金；b.b.改变与桥墩之间改变与桥墩之间的连接方式；的连接方式；c.c.将将11跨桥改为跨桥改为22跨桥。跨桥。„„从表中不同使用寿命周期条件下的全从表中不同使用寿命周期条件下的全寿命成本（寿命成本（LCCLCC）值可以看出：）值可以看出：⑴、在沿海地带的严重腐蚀环境下，⑴、在沿海地带的严重腐蚀环境下，5050年年使用期内，以使用期内，以““混凝土桥梁（使用环氧涂层的预混凝土桥梁（使用环氧涂层的预应力钢筋）应力钢筋）””方案的费用为昀低；方案的费用为昀低；⑵、而当使用寿命周期为⑵、而当使用寿命周期为100100年时，则是年时，则是““方案方案55，即局部修改后的全，即局部修改后的全FRPFRP桥梁桥梁””的全寿命的全寿命成本昀低。成本昀低。1.21.2在结构增强、补强加固方面的应用在结构增强、补强加固方面的应用„„1.2.11.2.1在结构补强加固方面的应用在结构补强加固方面的应用„„复合材料补强加固建筑结构：复合材料补强加固建筑结构：⑴、用作基体材料的树脂；⑴、用作基体材料的树脂；⑵、用作增强材料的纤维；⑵、用作增强材料的纤维；⑶、补强工艺：⑶、补强工艺：⑷、特殊气候条件下的施工材料⑷、特殊气候条件下的施工材料----光固化粘光固化粘结剂。结剂。1.2.21.2.2在结构增强材料方面的应用在结构增强材料方面的应用„„采用复合材料拉挤棒材，用于替代传统的增强钢采用复合材料拉挤棒材，用于替代传统的增强钢筋，从而赋予混凝土材料新的综合性能。筋，从而赋予混凝土材料新的综合性能。„„暴露于侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构，在适宜暴露于侵蚀性环境下的钢筋混凝土结构，在适宜的条件下，混凝土受碳化物和腐蚀介质的浸入，的条件下，混凝土受碳化物和腐蚀介质的浸入，会使得混凝土的保护层逐步碳化，钢筋钝化膜破会使得混凝土的保护层逐步碳化，钢筋钝化膜破坏而开始腐蚀，产生腐蚀的钢筋会出现体积膨坏而开始腐蚀，产生腐蚀的钢筋会出现体积膨胀，在混凝土内形成很大的膨胀应力，导致混凝胀，在混凝土内形成很大的膨胀应力，导致混凝土出现开裂、剥落，昀终导致整个结构丧失承载土出现开裂、剥落，昀终导致整个结构丧失承载功能。功能。„„传统上的钢筋混凝土防腐蚀已成为世界性的大问传统上的钢筋混凝土防腐蚀已成为世界性的大问题。题。⑴、直到⑴、直到2020世纪世纪8080年代初，国外开始在混年代初，国外开始在混凝土结构中应用凝土结构中应用FRPFRP筋材的方法得到认可，筋材的方法得到认可，FRPFRP拉挤筋材才开始了商品化生产；拉挤筋材才开始了商品化生产；⑵、到⑵、到2020世纪世纪9090年代初，西方发达国家每年年代初，西方发达国家每年FRPFRP筋材的消耗量达到筋材的消耗量达到3030亿美元；亿美元；⑶⑶、、2020世纪世纪9090年代中期以后，年代中期以后，FRPFRP筋材在混筋材在混凝土结构中的应用研究及工程应用范围迅速扩凝土结构中的应用研究及工程应用范围迅速扩大，各国纷纷成立专门的研究机构和攻关组织；大，各国纷纷成立专门的研究机构和攻关组织；⑷⑷、、FRPFRP筋材的产量的飞速提高。筋材的产量的飞速提高。„„国内国内FRPFRP筋材的现状：筋材的现状：⑴、研发投入严重不足，还未形成系列化产⑴、研发投入严重不足，还未形成系列化产品和相关产品标准，更未获得建设市场的认可；品和相关产品标准，