碳纖維復合材料在橋梁建筑中的應用

冉 冉，周顯東，江曉禹

(西南交通大學，四川成都610031)

1 碳纖維及其復合材料的發(fā)展狀況

隨著新型復合材料的研發(fā)不斷取得成功，生產工藝的不斷成熟，其在建筑行業(yè)中正不斷得到大量的使用。碳纖維增強復合材料(CFRP)具有質量輕、比強度高、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨、蠕變小、化學惰性、振動衰減穩(wěn)定、抗電磁干擾和生物相容性好等優(yōu)點，逐漸得到建筑業(yè)的重視。目前世界各國發(fā)展的主要是PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維。其中PAN基碳纖維是主流，占世界碳纖維市場的90%以上[1]。

碳纖維增強復合材料(CFRP)在橋梁建筑行業(yè)中的具體應用，包括結構補強材料，斜拉橋/懸索橋的拉索，以及纖維混凝土復合材料(用于混凝土的增強筋)。其中碳纖維布加固技術是一種使用較普遍、性能較好的結構外部加固新技術，近幾年在國內外逐漸被推廣應用開來，已完全產業(yè)化。碳纖維拉索(CFCC)和增強筋目前還處于開發(fā)階段，正在不斷地應用到橋梁工程中，特別是碳纖維拉索，在解決斜拉橋/懸索橋的跨度、壽命、抗風雨振動方面，表現出了巨大的潛力。

2 碳纖維及其復合材料的性能及優(yōu)勢

碳纖維是由有機纖維在惰性氣體中經高溫碳化合成的無機纖維，其化學組成中含碳量在90%以上。碳纖維具有質量輕、比強度高、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨、蠕變小、化學惰性、振動衰減穩(wěn)定、抗電磁干擾和生物相容性好等優(yōu)點，同時具有良好的傳熱和導電性能[2]見表1。

作為復合材料，碳纖維增強塑料(CFRP)筋、玻璃纖維增強塑料(GFRP)筋、芳綸纖維增強塑料(AFRP)筋在物理、力學性能上有許多共性，但也存在許多差異:

(1)CFRP筋縱向抗拉強度最高，達到甚至超過高強度鋼筋;AFRP筋居中，與高強度鋼筋相近;GERP最低，略低于高強度鋼筋;

(2)CFRP筋彈性模量最高，相當于高強度鋼筋的75%，AFRP和GFRP依次降低;

(3)和高強度鋼筋相比，FRP筋存在著蠕變變斷裂問題。GERP筋最容易發(fā)生蠕變斷裂，CFRP不易斷裂，而AFRP筋居中;

表1 不同纖維筋的力學性能及其與普通鋼筋和高強度鋼筋的力學性能比較

(4)CFRP筋和AFRP筋抗疲勞性能明顯優(yōu)于鋼筋，而GFRP筋抗疲勞性能略低于鋼筋;

(5)CFRP筋和GFRP筋松弛率和高強度鋼筋比較接近，而AFRP抗疲勞性能較高;

(6)CFRP筋的耐腐蝕性能要明顯優(yōu)于GFRP筋和AFRP筋。

由以上比較可知，CFRP筋的總體性能最好。雖然現階段由于價格原因使其應用范圍受到影響，但隨著技術的革新，碳纖維復合材料必將得到更加廣泛地應用。

3 碳纖維增強復合材料(CFRP)在橋梁工程中的應用

到目前為止，對于普通的土建工程，強度要求并不高，采用傳統(tǒng)材料即可滿足要求，如果運用價格昂貴的CFRP，并沒有太大的實際意義。而在橋梁工程中，一方面人們不斷挖掘傳統(tǒng)材料的性能極限;另一方面，不斷的尋找新型的高強度優(yōu)質材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，解決工程建設的瓶頸，而CFRP優(yōu)良的性能逐漸被人們重視。

下面就在橋梁纜索和橋梁加固方面討論CFRP的優(yōu)勢。

3.1 碳纖維拉索(CFCC)

一般來說，纖維增強復合材料(FRP)的彈性性能好，不存在屈服點。從受力至破壞都表現出線彈性的力學特性，在發(fā)生較大變形后能恢復原狀，這一性能對于承受較大動荷載的結構比較有利。以拉索來說，鑒于GFRP、AFRP的彈性模量較低，且在長期荷載作用下抗拉強度會降低，以及其他一些不利特性(比如GFRP抗腐蝕性能較差，AFRP對紫外線敏感、易松弛等)，目前用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材用作斜拉橋拉索的優(yōu)勢不大。相反，CFRP拉索以其輕質、高強、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數低、成型工藝性好、施工簡便等優(yōu)點得到廣泛應用[5]。

迄今為止，橋梁工程中使用的攬索還普遍由高強度鋼制造，而新型的CFRP也逐步應用到橋梁工程中，下表列舉了達目前為止，一些使用了碳纖維拉索的實例見表2。

表2 目前國內外已建的應用碳纖維拉索(CFCC)的斜拉橋[5]

而相對于傳統(tǒng)鋼索，CFCC的優(yōu)勢在于:

3.1.1 比強度和比模量遠高于鋼

表3 CFRP材料和一般鋼材的比強度和比模量[12]

3.1.2 徐變小和松弛率低

CFCC具有徐變小，松弛率低的性能。試驗表明，當將CFRP筋應力水平維持在其強度的60%左右時，1 000 h后的徐變幾乎為零，應力松弛不到1%;德國DSI公司用于DYWICARB體系的 CFRP筋經試驗得到，1 000 h后的松弛率0.8%，3 000 h后的徐變?yōu)?.01%。

3.1.3 良好的抗疲勞能力、抗腐蝕能力

橋梁的拉索，通常要受到風載和橋面上的動載荷作用，抗疲勞能力決定了橋梁長期的穩(wěn)定行。纖維復合材料的抗疲勞能力，取決于其破壞形式，即從薄弱環(huán)節(jié)開始，逐漸擴展到結合面上，而這時纖維與基體的結合界面將阻止裂紋擴展，碳纖維在這方面的性能尤為突出。已有試驗證明，19根單絲的CFCC在2×106次循環(huán)荷載未發(fā)生破壞，其疲勞強度約為相同條件下鋼索的4倍[3]。

鋼材一般不耐酸，尤其是含有氯離子的酸，即使含鋁不銹鋼在這種介質中，也會很快被腐蝕。但CRFP在含氯離子的酸性介質中能長期使用。耐堿碳纖維制成的復合材料，還能在強堿介質中使用。CRFP的無磁性能和良好的防腐性能，甚至使對結構采取的防銹蝕措施不再必需，進而使維修工作變得輕松[3]。

3.1.4 熱膨脹系數小

現代斜拉橋多采用懸臂施工的方法，施工工程中由于溫差(主要為日照溫差)引起結構的內力和變形，給施工的連續(xù)性帶來較大的影響;同時，在運營階段，因溫差所導致的內力和變形一樣存在。用CFCC代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼索可以基本消除拉索變形引起的內力和變形，因為CFCC的熱膨脹系數很低，僅為鋼拉索的1/12左右或更低[13]。

3.1.5 提高橋梁有效承載力和抗風雨振動性能

得益于CFRP較高的比強度和比模量，作為懸索橋主纜時，采用CFRP材料做超大跨徑懸索橋主纜將大幅降低主纜應力中的主纜自重應力所占百分比，提高活載應力所占百分比，從而提高材料的利用率，結構的豎彎基頻、橫彎基頻及扭轉基頻也隨之大幅提高。作為斜拉橋拉索時，CFCC能降低工作時共振造成的早期破壞的可能性。此外，碳纖維和基體界面還有吸振能力強、振動阻尼大的特點。例如，用同尺寸梁作相同試驗，輕金屬合金梁歷9s停止振動，而碳纖維樹脂復合材料梁僅2.5s即停止振動。從而CFCC具有更好的抗風雨振動性能[4]、[5]。

此外，有學者計算表明要建造跨徑超過5 000m的橋梁，纜索材料只能由CFRP來承擔，對于斜拉橋，主梁也只能由CFRP來承擔。這也表明對于未來橋梁的發(fā)展，CFRP的巨大潛力[6]。

3.2 碳纖維布

20世紀80年代末，基于粘鋼加固法的思路，出現了纖維增強塑料(FRP)補強加固混凝土結構的方法，近幾年在國內外逐漸被推廣應用開來，已完全產業(yè)化。碳纖維布加固技術適用于各種結構類型、各種結構部位的加固修補。碳纖維布加固技術是纖維增強塑料應用技術中一種使用較普遍、性能較好的結構外部加固新技術[7]、[8]。

碳纖維布加固是指在結構表面粘貼含碳纖維的材料，讓混凝土牢固地與加固材料粘結在一起之后共同承受載荷，達到加固結構、提高結構承載能力、修補結構缺陷及損傷的效果。適用于混凝土構件，鋼結構，木結構。碳纖維布加固不需要任何橫板夾具和支撐，廣泛的運用在鋼筋混凝土結構的加固中。

碳纖維布的特點在于:

(1)碳纖維布比強度高，與鋼筋混凝土粘結后能夠大幅度提升構件的承載力，增強局部的抗拉性、抗剪強度，補強物在幾乎不額外增加原始結構自重的情況下達到加固結構的目的，而且化學性能穩(wěn)定，能抵抗酸、堿、鹽類的腐蝕，防水性能優(yōu)良;

(2)碳纖維布為柔性卷材，可彎曲疊合成各種形狀，因而可以加固不規(guī)則或形狀復雜的結構;

(3)碳纖維布能有效地封閉混凝土裂縫?；炷廉a生裂縫后會加速對內部鋼筋的腐蝕，采用碳纖維布粘貼修補在能控制裂紋發(fā)展的同時提高了混凝土整體的剛度;

(4)與傳統(tǒng)其他的加固方法相比，碳纖維布的加固不會造成加固損傷。即使在新舊結合處加固效果也沒有明顯的減弱;

(5)施工過程更簡便。碳纖維材料輕且柔軟，施工時不需要特定的大型機械。施工過程耗時短效率高而且施工質量更易得到保證;

(6)碳纖維布加固比傳統(tǒng)加固法更經濟。從表面上來看，碳纖維材料的價格與其他相比偏高。但是碳纖維布加固的施工簡便，無需專用設備和大量人力，為施工方節(jié)省部分開支。其次，碳纖維性能穩(wěn)定，能抵抗酸堿鹽腐蝕從而大大的降低了建成之后的維護費用。

4 CFRP在使用過程中的問題以及展望

4.1 碳纖維材料的各向異性

(1)CFRP抗拉強度可達到高強鋼絲的2倍，而橫向抗壓強度和抗剪強度較低，CFRP筋剪切強度僅為其抗拉強度的5%～20%。CFRP筋的上述缺點致使其不能采用傳統(tǒng)的錨固方式進行錨固，所以在很多使用過程中，反映出的問題:錨具的性能而不是CFRP筋本身的強度對拉索的性能起控制作用;

(2)彈性模量問題，通常碳纖維復合材料的彈性模量略小于鋼。對于橋梁的主要影響表現為橋梁的豎向剛度降低[4]。

4.2 CFRP在化學方面的問題

(1)碳纖維本身不易燃，但是CFRP的基底材料一般易燃，使用時會存在安全隱患。

(2)雖然碳纖維耐腐蝕，但是由于復合材料中樹脂吸收紫外線和水蒸氣其性能可能降低。由于傳導率的差異，與CFCC接觸的金屬包括鋼材，二者表面會產生電解腐蝕[3]。

4.3 對于CFRP的使用還缺乏長期的監(jiān)測，目前該材料的性能只是通過短期的試驗得到的數據推測出來的。這與實際使用狀態(tài)下材料的性能可能會有較大的差距。

4.4 國產 CFRP技術不成熟，需大量進口，從而提高了CFRP的使用價格，一定程度上制約了CFRP的研究和發(fā)展。

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