碳纖維復(fù)合新材料在橋梁施工中的應(yīng)用

朱啟合　吳紀(jì)才

【摘 要】碳纖維是一種具有良好力學(xué)性能的新材料，在當(dāng)前的很多新型結(jié)構(gòu)材料的制作中有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合新材料具有強(qiáng)度大、耐熱性良好、抗沖擊性強(qiáng)、變形量小、節(jié)能環(huán)保、自重較輕以及良好的抗腐蝕性，是很多對(duì)強(qiáng)度等級(jí)要求較高的建設(shè)工程最常用到的建設(shè)材料?，F(xiàn)本文就來(lái)探討在橋梁的建設(shè)施工中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用問(wèn)題。文章首先分析了碳纖維復(fù)合材料的基本性能，繼而指出了其在橋梁結(jié)構(gòu)施工和橋梁加固施工中的應(yīng)用，并就碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展前景作出了展望。

【關(guān)鍵詞】碳纖維；復(fù)合材料；橋梁施工；加固工程

隨著我國(guó)橋梁道路工程建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁工程施工技術(shù)也得到了很大的提高。同時(shí)在科技的推動(dòng)下，建設(shè)施工的新型材料也在不斷研發(fā)應(yīng)用，這些都是我國(guó)橋梁道路施工水平提高的體現(xiàn)。其中碳纖維復(fù)合材料就是其中一個(gè)具有很大優(yōu)越性的現(xiàn)代新型橋梁施工材料，在當(dāng)前的橋梁道路施工中有著極為廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來(lái)，社會(huì)的發(fā)展使得車輛對(duì)橋梁的通行能力提出更高的要求，并對(duì)橋梁的荷載能力、抗壓能力、耐腐蝕能力等基本性能也提出了更高的要求。為了滿足這一需求，新型施工工藝和施工材料的應(yīng)用就顯得非常有必要。本文中主要探討了碳纖維復(fù)合材料這種新型材料的應(yīng)用工藝和發(fā)展前景，指出了在新時(shí)代的發(fā)展下，利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁施工是未來(lái)橋梁建設(shè)施工中的一個(gè)主要發(fā)展方向。

1.碳纖維復(fù)合材料的基本性能

碳纖維復(fù)合材料是一種具有高強(qiáng)度和高彈性模量的新型復(fù)合材料，其基本構(gòu)成是由基體材料與增強(qiáng)材料相互結(jié)合而形成的，與其具有同種特點(diǎn)的復(fù)合材料還有玻璃纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料。這三種復(fù)合材料都是通過(guò)物理組合而實(shí)現(xiàn)材料性能的提升，比普通的材料要具備更大的優(yōu)越性。而其中碳纖維復(fù)合材料是其中物理力學(xué)性能最好的一種復(fù)合型材料，因?yàn)樵诤芏嘟ㄔO(shè)施工中都有著廣泛的應(yīng)用。其主要的應(yīng)用方法是以替代鋼筋作為結(jié)構(gòu)材料的形式，目前在橋梁的張拉施工以及加固施工中也都是較為常用的施工材料。那么碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性能有哪些呢？現(xiàn)筆者將其優(yōu)越性總結(jié)為下述幾點(diǎn)：

1.1碳纖維復(fù)合材料具有比鋼材高出十幾倍的抗拉強(qiáng)度和相當(dāng)鋼材1～2倍的強(qiáng)行模量。

1.2碳纖維復(fù)合材料減震性能好，其自振頻率很高，可避免早期共振，同時(shí)內(nèi)阻也很大，一旦激震起來(lái)，衰減也快。

1.3碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蝕性能好，與生物有很好的相容性。除了強(qiáng)氧化劑外，一般如濃鹽酸、30%的硫酸、堿等對(duì)其均不起作用。

1.4碳纖維復(fù)合材料材料是柔軟的，樹(shù)脂是可以流動(dòng)的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)形狀和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。

1.5碳纖維復(fù)合材料材料施工便捷，在結(jié)構(gòu)加固中，碳纖維布易成型，能夠粘貼在曲面或不規(guī)則的結(jié)構(gòu)表面上，考慮到其方向性，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行裁減，使其在特定方向上達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.在橋梁結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在被研發(fā)成功后，是經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間方才被使用到橋梁的建設(shè)施工中的。直到上世紀(jì)的80年代，碳纖維復(fù)合材料才被應(yīng)用在橋梁工程的設(shè)計(jì)施工中，并在后來(lái)的橋梁建設(shè)中迅速得到廣泛應(yīng)用，這是由其優(yōu)良的特性來(lái)決定的。目前，在橋梁工程，尤其是在大跨度的橋梁工程中，碳纖維復(fù)合材料是最具有物理性能優(yōu)勢(shì)的建筑材料，在國(guó)內(nèi)外的橋梁施工中都有應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料作為預(yù)應(yīng)力筋的案例。

日本是第一個(gè)在混凝土橋梁中采用碳纖維復(fù)合材料絞線作為橋梁預(yù)應(yīng)力筋的國(guó)家。從1988年～1992年，日本應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料材料作為預(yù)應(yīng)力筋修建了一系列橋梁，為探求采用碳纖維復(fù)合材料力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的承載力和耐久性，做了靜載和疲勞試驗(yàn)。

3.在橋梁加固中的應(yīng)用

為恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力，采用在橋梁結(jié)構(gòu)受拉側(cè)用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼碳纖維復(fù)合材料材料的加固方法，具有施工簡(jiǎn)便、加固費(fèi)用低（代替鋼板加固可節(jié)約資金25%）、不減少橋下凈空、加固材料帶來(lái)恒載增加不多等優(yōu)點(diǎn)，并且加固施工能在不影響或少影響結(jié)構(gòu)使用的情況下進(jìn)行，同時(shí)可克服粘貼鋼板受運(yùn)輸?shù)南拗?、鋼板銹蝕引起鋼板與混凝土梁之間粘貼層損壞之不足。

在日本，碳纖維復(fù)合材料被廣泛用于公路橋梁、鐵路橋梁、隧道、碼頭、房屋建筑等結(jié)構(gòu)物的加固，特別是在大地震維修工程及震后橋梁修復(fù)工程中都大量采用了碳纖維加固技術(shù)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)是在1997年以后正式開(kāi)始對(duì)碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)上木建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的，并在1998年以后開(kāi)始了實(shí)際應(yīng)用。如在某橋梁的加固工程中需重加固修復(fù)出現(xiàn)裂紋的T梁。在加固舊T梁工程中，共加固20m長(zhǎng)的T梁130片，實(shí)際粘貼碳纖維240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修復(fù)方法都無(wú)法在這么短的時(shí)間內(nèi)完成的。T梁加固完成后，橋面開(kāi)始施工，T梁受力，半年后觀察加固節(jié)點(diǎn)，碳纖維布與T梁表面粘貼完好，無(wú)空鼓，無(wú)裂紋，取得了較滿意的效果。

4.碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展前景

碳纖維復(fù)合材料材料用于橋梁工程中也是國(guó)際土木工程界的一個(gè)熱點(diǎn)，由于其優(yōu)異的材料及使用性能，其應(yīng)用范圍與應(yīng)用量正以驚人的速度在增長(zhǎng)。碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)處于科研及實(shí)用初級(jí)階段，大規(guī)模使用還存在許多問(wèn)題，如價(jià)格太高、強(qiáng)度不高、缺少設(shè)計(jì)規(guī)范及施工規(guī)程還很不完善等，為充分發(fā)展碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)橋梁工程中的作用，應(yīng)做好以下幾個(gè)方面的工作：

4.1加快國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料大過(guò)摸生產(chǎn)的步伐并降低造價(jià)，提高國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)目前應(yīng)用的粘貼樹(shù)脂已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，而碳纖維復(fù)合材料材料卻依賴進(jìn)口。擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是降低成本的有效途徑之一。國(guó)外一條碳纖維生產(chǎn)線的年生產(chǎn)能力均在200t以上，而我國(guó)至今還沒(méi)有一條百噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)線。

4.2盡快制定便于材料品質(zhì)管理及品質(zhì)保證的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法，并盡快制定完善的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)化工作是一項(xiàng)新技術(shù)，是新材料得以健康、快速發(fā)展的基礎(chǔ)，它不僅僅是指碳纖維復(fù)合材料材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而是包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗(yàn)、加固設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程施工與驗(yàn)收等一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。否則，該項(xiàng)技術(shù)會(huì)有在商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)下遭夭折的危險(xiǎn)。在這個(gè)問(wèn)題上，今后幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)將有更多的學(xué)校及研究單位加入到碳纖維復(fù)合材料材料研究開(kāi)發(fā)中來(lái)，從而使我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域得到更快速的發(fā)展。

4.3加強(qiáng)與國(guó)際間的學(xué)術(shù)交流和技術(shù)合作。盡量避免在研究上的低水平生產(chǎn)與應(yīng)用上的重復(fù)研究，共同促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究及發(fā)展，成立行業(yè)性或?qū)W術(shù)性組織。只有這樣，才能促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的健康、快速發(fā)展。

5.結(jié)語(yǔ)

總之，在當(dāng)代新型橋梁工程的施工中，采用碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)施工的重要材料是我國(guó)橋梁建設(shè)水平的一大提升，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用極大的提高了橋梁的強(qiáng)度、抗拉能力和抗腐蝕性能力，縮短了橋梁施工的時(shí)間，簡(jiǎn)化了施工技術(shù)工藝，提高了施工效率，因而碳纖維復(fù)合材料是一個(gè)值得大力推廣應(yīng)用的新型橋梁工程建設(shè)材料。

【參考文獻(xiàn)】

[1]尤平若.新型建筑材料在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2012，（01）.

[2]向雅娟，宋世樟.新型復(fù)合材料橋梁及其最新研究成果[J].橋梁建設(shè)，1994，（02）.