新兴复合材料在先进建筑中的兴起及应用

复合材料是由两种或多种组成材料构成的材料，具有新颖或增强的性能，例如机械和热阻、减振、耐腐蚀等。这些材料越来越多地用于各种规模的建筑项目，从而实现更雄心勃勃、更耐用和技术先进的装置。本文将讨论新兴复合材料及其在建筑中的应用。

什么是复合材料？

如前所述，复合材料是由两种或两种以上材料在宏观尺度上以某种方式结合的材料构成的，也许最突出的例子之一是用钢筋加固混凝土。纯混凝土的抗拉强度相对较差，因此，钢筋显著增强了复合材料的抗拉强度，提供了适用于大型建筑项目的优越机械性能。

混凝土可以通过各种配置的钢筋加固，使用不同或相同长度的较厚或较细的钢筋，并平行、格子或随机排列。其他不同结构的复合材料也可以采用这些变体之一，具体取决于它们的具体功能。

通常，以特定排列方式掺入复合材料中的较硬或更纤维的材料称为增强材料，而周围的介质称为基体。除混凝土外，基体可以由各种硬化塑料或软材料（如热固性聚酯或硅胶）制成，而增强材料可以由较硬的塑料、玻璃、碳纤维或更柔韧但坚韧的材料（如亚麻或大麻纤维）制成。

为什么建筑需要复合材料？

面对日益严重的环境问题，对复合材料的迫切呼声越来越强烈;为了应对全球气候变化，材料需要在各种天气条件下更加耐用，而不断更新基础设施对环境的影响是昂贵的。

事实上，混凝土被称为“地球上最具破坏性的材料”，占全球二氧化碳的很大一部分考虑生产过程的所有阶段以及城市热岛效应时的产出；因此，环保替代品将是首选。

此外，最近意识到许多钢筋混凝土结构的耐腐蚀性能可能不如预期的那样充分，2021 年 Surfside 公寓倒塌凸显了这一点，其中一栋 12 层高的建筑因钢筋腐蚀而倒塌，造成 98 人死亡，敦促寻找替代品。

复合材料有哪些应用？

建筑用复合材料的关键特性包括杨氏模量（拉伸或压缩刚度）、耐火性、疲劳寿命、抗振动和谐波载荷、可连接性，以及根据应用的不同，还具有耐化学性。玻璃纤维增强聚合物 （GFRP） 等耐腐蚀材料已被用作钢作为混凝土加固的替代品，尤其是在沙特阿拉伯 23 公里的混凝土防洪通道中。GFRP和碳纤维增强聚合物（CFRP）以相对较低的成本提供耐高温性和强度;CFRP更坚固，耐温性更高，但成本更高。

陶瓷基体的强度可以通过多种方法提高：包含纳米颗粒或新元素、微观结构调节、粉末冶金等。例如，材料的烧结温度会影响相的形成和材料的微观结构，从而影响抗压强度等最终性能。结合在一起，用非腐蚀性材料加固的更坚固的陶瓷基体可能能够解决钢筋混凝土的局限性，同时降低传统混凝土的巨大环境成本。

纤维增强聚合物 （FRP） 的重量极轻，可以更快、更轻松地安装结构，并可能有利于长期耐用性。例如，通过将桥梁或高层结构的重量减半以上，降低了对整体强度的要求，在英国沃里克郡的一个例子中，一座钢制人行天桥在几天内就被预制的纤维增强聚合物材料所取代。FRP 通常由碳、玻璃、石棉、铍、钼或芳香族聚酰胺等材料制成，基体为环氧树脂、聚酯或乙烯基酯。

粘弹性材料是那些在变形时具有粘性和弹性特性的材料，混凝土、许多塑料、高温下的金属和许多其他建筑材料也是如此。许多建筑和工程项目需要这种材料来消散能量，充当阻尼器，补偿结构中的预期运动。

由交替的粘弹性和固体增强材料构成的复合材料被广泛使用，并且经过专门设计，可以最佳地吸收其给定应用的预期频率的振动。大型建筑物和桥梁必须定期适应由于风和其他振动（例如车辆引起的振动）而在其结构内产生的巨大摇摆，因此先进、耐用的复合材料将减少结构故障和维护要求的发生。

结论

与单一材料相比，复合材料在增强结构完整性、弹性和加固方面具有明显的优势，并且根据具体的组成材料和施工方法，复合材料的重量可能更轻，在工程、航空航天、汽车和建筑行业中提供了广泛的应用。特别是，在基体中加入纳米颗粒和纤维增强材料显示出显着的结构增强效果，增强了混凝土等传统材料的结构性能。