【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 材料。樹脂基復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種，基體是 有機(jī)聚合物 ，增強(qiáng)相是纖維。常用的樹脂基復(fù)合材料有熱固性和熱塑性兩種。 復(fù)合材料的發(fā)展歷史及在建筑中的應(yīng)用 復(fù)合材料的發(fā)展歷史 早在幾千年以前，中國(guó)古代人將草夾雜在土坯里面作為墻體的材料，使得墻體更加牢固，這與現(xiàn)代的復(fù)合材料工藝有異曲同工之處；中國(guó)沿用至今的漆器工藝，是用麻絨或絲絹來(lái)增強(qiáng) 漆，使得漆器色澤可以歷久彌新。還有外國(guó)為現(xiàn)代世人所驚嘆的古埃及金字塔，用石灰、火山灰等作基體，砂石來(lái)增強(qiáng)，建造的金字塔堅(jiān)實(shí)牢固。這些都是材料的宏觀復(fù)合，也就是原始的復(fù)合材料。 但是，上述的歷史文明奇跡，是古代人在生活實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、不斷改進(jìn)的成果，對(duì)復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)還處于初步階段。雖然宏觀的復(fù)合材料早期能滿足人們的需求，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求不斷提高，復(fù)合材料也從原始的宏觀復(fù)合，發(fā)展到現(xiàn)代的微觀復(fù)合材料。早期的現(xiàn)代復(fù)合材料綜合性能比較低，使用十分范圍廣泛。標(biāo)志著人類對(duì)復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)進(jìn)入理性階段的 是， 20 世紀(jì) 40 年代纖維復(fù)合材料的發(fā)展和研究，這也是復(fù)合材料發(fā)展的里程碑。 復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用 由于復(fù)合材料基體相與增強(qiáng)相的不同組合，其性能特點(diǎn)也不盡相同，所以在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。因?yàn)闊岱€(wěn)定性好，比強(qiáng)度高、比剛度高，航空航天中常用于機(jī)翼、部分機(jī)身的制造；因?yàn)橛袦p振和降噪的功能，抗疲勞性好，故汽車中常用與座椅、車身的制造；因?yàn)橛锌垢g性，常用于石油、天然氣運(yùn)輸管道；為了實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)的現(xiàn)代化，減輕建筑材料的自重，減少建造成本，復(fù)合材料在建筑工業(yè)也是必不可少的；電力行業(yè)，如風(fēng)電葉片就是復(fù)合材料； 在醫(yī)藥上的用途等 [1518]。以上都是復(fù)合材料在各行各業(yè)中應(yīng)用的 體現(xiàn)，可見復(fù)合材料在社會(huì)進(jìn)步中扮演著重要角色。以下著重介紹幾種復(fù)合材料，并說(shuō)明其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)。 一個(gè)國(guó)家無(wú)論發(fā)達(dá)與否，建筑工業(yè)都在經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，因此降低建設(shè)成本、提高建筑質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境等成了現(xiàn)代建 筑行業(yè)的 發(fā)展趨勢(shì) 。 隨著航空航天 材料高強(qiáng) 、 質(zhì) 輕 方面的 發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合材料 的 由于其 獨(dú)特的 性能 優(yōu)勢(shì)和較低的價(jià)格 ， 從 而得到了迅猛的發(fā)展，在建筑中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 （ 1）鋁 塑復(fù)合材料 目前比較常見的有兩種鋁塑復(fù)合材料：鋁塑復(fù)合板、鋁塑復(fù)合管。鋁塑復(fù)合管是由聚乙烯、鋁管和鋁管壁上的黏結(jié)劑幾種物質(zhì)復(fù)合而成。鋁塑復(fù)合管一般可在 75～ 110℃條件下長(zhǎng)期使用，盡管是在 95℃ 時(shí)其仍具有較高的爆破應(yīng)力，達(dá) 8MPa。內(nèi)芯鋁層具有很多優(yōu)點(diǎn)，如： ① 能夠完全阻止?jié)B透，消除滲透帶來(lái)的影響，還能絕對(duì)隔絕氧氣，高達(dá)100%； ② 能夠通過(guò) 控制熱膨脹系數(shù)來(lái) 有效 控制鋁塑復(fù)合管 尺寸 變化， 使其處于 一個(gè) 相對(duì) 較為恒定的范圍 ； ③相對(duì)于 傳統(tǒng)管材， 加入了抗靜電 性能，從而可以輸送石油天然氣等 靜電可 觸發(fā)的易燃化學(xué)品 ；④增強(qiáng) 了管 材的阻燃性能， 加快了 管材的 導(dǎo)熱 能力 ，使其能夠 在縱向散熱能力更強(qiáng) ；⑤可以吸收復(fù)合材料 變形時(shí) 產(chǎn)生的 能量，從而 可以使制成的管材制品 形狀 具有任意性 ； ⑥ 屏蔽各種電磁場(chǎng)的干擾； ⑦ 可以用金屬探測(cè)器測(cè)出管的鋪設(shè)位置； ⑧ 一定程度上對(duì) PE 起加強(qiáng)作用； ⑨ 顯著提高管的耐壓強(qiáng)度。 鋁塑復(fù)合管由于其獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)，具有 比強(qiáng)度比 模量高、耐腐蝕 性 好、可彎曲性好、脆化溫度低、質(zhì)量輕、耐熱性 及 隔熱保溫性能好、阻燃、屏蔽和抗靜電、節(jié)省能源的特點(diǎn)。因此，該管可用于與其他材料管件擠壓配合，冷熱自來(lái)水、酸堿鹽、燃?xì)獾雀鞣N液體、氣體的輸送。 鋁塑板是一 種夾層復(fù)合材料，由經(jīng)處理的鋁板作為面材，聚乙烯作為芯材復(fù)合而成的。其性能由于鋁板和聚乙烯兩種單一材料。具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、色彩多變、適應(yīng)氣候性強(qiáng)、安裝方便、裝飾效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于墻壁的裝修、舊樓翻新改造等。 因此 ，鋁塑復(fù)合材料 由于 上述 優(yōu)良 的性能， 首次在建筑 材料裝飾領(lǐng)域 應(yīng)用就 得到了人們的廣泛關(guān)注， 并 迅速風(fēng)靡 全球。 鋁塑板 在美國(guó) 過(guò)街天橋 的 首次應(yīng)用是作為墻板出現(xiàn)，采用了多于 2 萬(wàn)平方英尺的 4 毫米厚的有色鋁塑復(fù)合板。 均是 用鋁塑復(fù)合材料制成的。 加拿大安大略省的溫莎市 娛樂(lè)場(chǎng) 的 外墻建筑裝飾 材料 也是選用了鋁塑 復(fù)合材料 ，由 大約 2 萬(wàn) 片 鋁塑板 拼接而成。建筑師在這些建筑上選擇使用鋁塑板，是綜合考慮其耐久性與整潔性，而且還能給建筑物的外觀增添時(shí)尚的色彩、提供多變的建筑風(fēng)格。鋁塑板 由于復(fù)合作用 11 產(chǎn)生的高性能、 建筑 現(xiàn)場(chǎng)施工可以 達(dá)到 的 生產(chǎn)技術(shù) ， 材料 需求量便于 獲取，并且 工期可得到大大縮短 等 特性，從而成為 這些 建筑 材料的 首選。 （ 2）纖維混凝土復(fù)合材料 前面已經(jīng)提到，纖維復(fù)合材料是一種以纖維作為增強(qiáng)相的材料。纖維材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如可設(shè)計(jì)性能好 ， 高比強(qiáng)度 ，高比模量 和高比剛度 ， 抗疲勞性 能 好 及 較好的抗腐蝕性 ，良好的 抗震性 及 過(guò)載安全性。因此在建筑施工中經(jīng)常用 到的纖維復(fù)合材料 [19,20]。以下介紹纖維復(fù)合材料在建筑施工中的不同用途： ① 纖維復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土 由于建筑的樓層越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜， 對(duì)混凝土的要求也越來(lái)越高 。 為了 增加 混凝土的抗壓強(qiáng)度及 抗折強(qiáng)度 ，因而 可將 纖維作為增強(qiáng) 相 添加入 混凝土 中 ，利用 纖維自身的高強(qiáng)度， 高模量 等性能， 并且 通過(guò)調(diào)節(jié) 混凝土 中纖維的 分散 度 、分布形式、 所占比例及種類 ， 從而 提高 混凝土 的 綜合性能 。 目前 常用 的纖維增強(qiáng)材料 按照 材料 組成主要分為 碳纖維、芳綸和丙綸 。按照添加 的增強(qiáng)纖維的 長(zhǎng)短 可分為 短纖維 和長(zhǎng)纖維兩種 。 短纖維 長(zhǎng)度范圍 一般在幾個(gè)毫米到幾十個(gè) 毫米，短纖維增強(qiáng)混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比，有拉伸強(qiáng)度大、抗彎強(qiáng)度高、防裂性好的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常 用作裝飾板材或部件，還可以隨機(jī)摻入到砂漿中，能夠一定程度上替代鋼筋。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土一般是用連續(xù)狀態(tài)的碳纖維或者芳綸等制成棒狀、網(wǎng)狀等不同形態(tài)的織物， 將 纖維 復(fù)合 入 幾種作為材料 基體的樹脂， 因而 纖維可以替換傳統(tǒng)的鋼筋 作為 骨架材料，這種材料作為一種新型的建筑材料 被廣泛 應(yīng)用于 外墻 或 建筑承載 結(jié)構(gòu)中 。 這種纖維復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土中的碳纖維， 保持了其原有的密度低，強(qiáng)度、硬度、強(qiáng)度和彈性模量高，能導(dǎo)電磁，較易適應(yīng)周圍環(huán)境，耐磨損、高溫惡劣 環(huán)境，能與混凝土良好粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。所以纖維增強(qiáng)混凝土 能夠 滿足了建筑對(duì)鋼筋的要求，有效解決建筑可能會(huì)出現(xiàn)的受力的問(wèn)題，鋼材銹蝕現(xiàn)象也能避免，近年來(lái)此類事故發(fā)生率有了顯著降低，得到很好的控制。 ② 纖維復(fù)合材料的涂層織物 涂層織物是一種將高分子的涂層劑或其他材料覆蓋在織物表面上的復(fù)合材料?？棽己屯繉佑捎谄浣Y(jié)構(gòu)、性質(zhì)不同，分別在材料中起不同的作用?？椢镌诓牧现凶鳛楣羌埽袚?dān)著復(fù)合材料受力，影響著材料的抗張力、抗撕裂力、尺寸穩(wěn)定性等；而 涂層劑 通過(guò)覆蓋在織物表面，從而 對(duì) 材料表面 起到了 保護(hù)作用及改性作用。 纖維復(fù)合材料的涂層織物有其獨(dú)特的特點(diǎn)： ① 質(zhì)輕，易拆裝，結(jié)構(gòu)輕巧，美觀耐用，且具有一定的保溫性能?？梢宰鳛槟そY(jié)構(gòu)建筑材料，這種建筑材料，可以增加房屋功能，延長(zhǎng) 建筑壽命。 ② 還可以用做蓬蓋布，常用的滌長(zhǎng)絲蓬蓋布材料質(zhì)輕軟、牢固、防水、阻燃還能防霉，由此能夠看出化纖涂層織物具有很多優(yōu)點(diǎn)。 ③經(jīng)常 應(yīng)用在軟性屋頂上，軟性屋頂 主要 分為兩種 情況 ： 一種是 充氣式 ，一種是 帳篷式。綜上，可以看出涂層織物在建筑中非常常見，可以用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、蓬蓋布、軟性屋頂?shù)取? ③ 用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的纖維復(fù)合材料 在建筑中用纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的形式主要是纖維 片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)。連續(xù)的纖維片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)是一種把連續(xù)的纖維片，用樹脂粘合劑，粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，通過(guò)粘貼表層與原結(jié)構(gòu)物體的協(xié)同作用，最終達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)加固原結(jié)構(gòu)構(gòu)件、改善受力現(xiàn)狀目的的加固技術(shù)。不同的纖維復(fù)合材料因其性能的差異，適用于不同的環(huán)境。如碳纖維復(fù)合材料適用于鋼筋混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)變更、負(fù)荷增加、強(qiáng)度不足、裂縫延長(zhǎng)等加固工程；而芳綸的柔韌性較碳纖維的更好，因此更適合修補(bǔ)纏繞、柱狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)等工程。與傳統(tǒng)的粘鋼板補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相比較，連續(xù)纖維片復(fù)合的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。更加高強(qiáng)高效，施工便利，質(zhì)量 好，防護(hù)性能佳，使用更為范圍廣泛等。 （ 3）樹脂基復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料又稱為玻璃鋼，有優(yōu)良的性能，因此廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。我國(guó)樹脂基復(fù)合材料的 起始于上個(gè) 世紀(jì) 60 年代 ， 經(jīng)過(guò) 幾十年的發(fā)展， 生產(chǎn) 技術(shù) 趨于 成熟，復(fù)合材料 種類 不再單一化，生產(chǎn)規(guī)模也 得到 擴(kuò)大， 復(fù)合材料 產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第二位， 在建筑業(yè) 方面 得到了 較為廣泛的應(yīng)用 ，所 占比重為 百分之 40 以上 [21]。 樹脂基復(fù)合材料 主要特點(diǎn)為 ： ① 樹脂基復(fù)合材料可根據(jù)具體使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是材料的可設(shè)計(jì)性。 ② 樹脂基復(fù)合材料的 機(jī)械 性能較好， 可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)，能獲得力學(xué)性能 差別很大的材料。 ③ 裝飾效果好。樹脂基材料由于表面光潔，可配制成色彩鮮艷、花紋構(gòu)造不同圖案，經(jīng)常用于建筑的裝飾。 ④ 透光性佳。透明樹脂基復(fù)合材料，也就是所謂的透明玻璃鋼的透光率高達(dá) 85%以上，而且能承受高荷載，不易破碎。 ⑤ 有較好的隔熱性能。 ⑥ 隔音。能夠一定程度上消除音波，一些專門設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)，不僅可以隔音還可以隔熱。 ⑦ 絕緣性能好。 ⑧ 玻璃鋼有抗微生物作用，耐酸堿等有機(jī)溶劑及海水腐蝕的特殊能力。 ⑨ 防水性好。樹脂基復(fù)合材料吸濕能力差，不易透水，經(jīng)常用于建筑中的給排水、防水等作業(yè)。 樹脂基復(fù)合材料由于具有上述諸多優(yōu)點(diǎn) ，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料也更多地應(yīng)用于建筑工程的各方面。 ① 作為承壓結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料作為柱、梁及樓板等承載構(gòu)件，被應(yīng)用于高層建筑及腐蝕廠房的承重構(gòu)件。 ② 作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料由于其具有保暖隔音的作用，可作為建筑的外墻板，隔墻板等。主要有波紋板、夾層板等制品。 ③采光材料。玻璃鋼樹脂基體具有一定的透光性，可以用于制備透明及半透明結(jié)構(gòu)板，被應(yīng)用于各種工廠車間、民用建筑的采光罩、遮陽(yáng)板等，在農(nóng)業(yè)上搭建溫室也有涉及。 ④門窗及裝飾材料。復(fù)合材料由其具備防水隔熱的優(yōu)勢(shì)，此類復(fù)合材料包括平板、復(fù)合板 13 及裝飾板，可被應(yīng)用 在門窗等框型結(jié)構(gòu)中，也可作為裝飾材料被用于天花板、浮雕等處。⑤ 給排水及通風(fēng)材料，常被應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)，風(fēng)電葉片、排水排氣管道、通風(fēng)櫥等。 ⑥ 其他，復(fù)合材料還被應(yīng)用于高層建筑屋頂，復(fù)古建筑，家具，座椅等各類制品 [22]。 因此樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量、透光隔音、成本較低等優(yōu)勢(shì)，較其他復(fù)合材料在建筑方面得到了更為廣泛的應(yīng)用。 纖維復(fù)合材料的損傷失效形式 隨著復(fù)合材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在建筑工程領(lǐng)域，然而由于材料結(jié)構(gòu)的損傷與失效帶來(lái)的事故也越來(lái)越多。復(fù)合材料構(gòu)件的損傷失效是在所難免的 ，它可能出現(xiàn)在建筑的施工過(guò)程或者使用過(guò)程中，并且這些構(gòu)件的失效可能導(dǎo)致整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的癱瘓，由此可見對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行失效分析十分重要。復(fù)合材料的失效與金屬的單一斷裂失效模式不同，有多種失效形式，如基體開裂、纖維斷裂及分層等，并且受多種因素影響，纖維和樹脂的參數(shù)性能、結(jié)構(gòu)順序及使用環(huán)境等都對(duì)復(fù)合材料的失效有影響。正因?yàn)閺?fù)合材料損傷的多樣性和復(fù)雜性，給失效分析的研究帶來(lái)了難度。同時(shí)，由于復(fù)合材料形式的多樣性，本文主要研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷特征， 并且分別分析了單向、多向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本失效模式。 單向纖維層合板的失效模式 在復(fù)合材料中，通常纖維作為增強(qiáng)相起承載作用，而基體起支撐纖維作用。 為 盡量減少?gòu)?fù)合 材料失效 所造成的損失，因此 材料 失效 的 早期預(yù)警 很有 必要。復(fù)合材料失效分析 通過(guò)對(duì) 材料 破壞 最終的損傷特征 進(jìn)行 分析 ，研究其 損傷模式 ， 對(duì)材料失效的早期預(yù)警具有重要意義 。 目前建筑上廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料為多向纖維鋪層結(jié)構(gòu)，因此，為了解層合板最終失效斷裂特征，應(yīng)先研究單向纖維層合板的失效模式。 （ 1）縱向拉伸失效 單向?qū)雍习宓目v向拉伸 斷裂 形貌 主要 表現(xiàn) 為 兩種特征：一是有大量的纖維 從樹脂 基體抽出，二是纖維的斷裂 端部 有明顯 拉斷特點(diǎn) 。部分研究者提出在同一應(yīng)力下， 纖維從基體中 抽出 的 長(zhǎng)度 會(huì) 隨著環(huán)境參數(shù) 如溫度濕度的改變而改變，通常是 成 正比關(guān)系 。 而且纖維 表面光潔 ， 不會(huì)有 樹脂殘存。 對(duì)于這一觀點(diǎn)，主要持兩種態(tài)度。一個(gè)是以 Miller 和Winger 為首，認(rèn)為根據(jù)單個(gè) 斷裂起始源所 示的 擴(kuò)展 方向來(lái)推斷整個(gè)試件 中 纖維裂紋擴(kuò)展方向 的 說(shuō)法 缺乏 說(shuō)服力 ，他們 認(rèn)為 試樣斷裂 是由于多纖維斷裂源 的 合并累計(jì)，因此只以單一纖維失效方向來(lái)推斷全局的斷裂過(guò)程存在一定的弊端。另一個(gè)則是以 Smith和 Grove等人為首認(rèn)為，從纖維末端的斷裂起始位置和由此發(fā)出的射線狀 棱線能夠判斷出纖維的失效方向。就以上分歧， Purslow 先對(duì)復(fù)合材料失效過(guò)程中單個(gè)纖維的失效方向進(jìn)行分 析，并結(jié)合與之搭接的纖維絲以及其相連基體的斷裂形貌，可以得出一個(gè)小范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展方向。但是這個(gè)小區(qū)域的裂紋擴(kuò)展方向往往和全局的裂紋擴(kuò)展方向不相符，所以這個(gè)區(qū)域可能是整個(gè)失效斷裂的裂紋源，也可能是在全局裂紋產(chǎn)生之后對(duì)裂紋擴(kuò)展起到推動(dòng)作用的部分。因此他通過(guò)繪制 了一個(gè)大的斷裂區(qū)域圖 ， 從而由起始狀態(tài)的一些