碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用

費(fèi)有靜 裴小兵

一、碳纖維性能概述

人們最初用天然木材、石材建造橋梁，后慢慢發(fā)展到用混凝土、鋼材及特種人造材料，材料的不斷進(jìn)步推動(dòng)了橋梁工程的不斷發(fā)展。近年來(lái)，除了致力于如何提高混凝土與鋼材的性能外，將纖維材料、智能材料、納米材料等復(fù)合材料如何應(yīng)用到橋梁工程中，提高橋梁的安全性和使用性。隨著橋梁跨度的增大，橋梁結(jié)構(gòu)的自重問(wèn)題日益突顯，橋梁工程材料逐漸向高強(qiáng)、輕質(zhì)方向發(fā)展，提高橋梁性能的同時(shí)提高橋梁的觀賞性。

碳纖維復(fù)合材料是一種新型高性能纖維材料，是典型的高科技領(lǐng)域中的新型工業(yè)材料，因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而有著誘人的應(yīng)用前景。目前在航空航天、軍工領(lǐng)域、汽車、電子、機(jī)械、化工、輕紡工業(yè)領(lǐng)域、民用體育領(lǐng)域等獲得廣泛應(yīng)用。碳纖維的性能特點(diǎn)如下所示：

①石墨微晶沿纖維軸向堆砌后經(jīng)碳化及石墨化處理得到碳纖維，故碳纖維沿纖維軸向有著很高的強(qiáng)度。近年來(lái)世界各國(guó)投入巨資研究生產(chǎn)制備碳纖維的工藝技術(shù)，美國(guó)制成的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的拉伸強(qiáng)度高達(dá)5.5～5.8GPa，模量達(dá)354～375GPa[1]，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，這一性能指標(biāo)還將得到突破。比較后不難看出，碳纖維的這些性能指標(biāo)均比鋼材高得多，且碳纖維材料的密度僅1.8g/cm3，只有鋼材的1/4左右，故其比強(qiáng)度比鋼材高得多，比模量也比鋼高。比強(qiáng)度、比模量高的材料，在橋梁工程中備受青睞。

②碳纖維的含碳量一般在90%以上[2]，保留了碳的固有性質(zhì)，即化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐蝕性出類拔萃，對(duì)一般的酸、堿具有良好的穩(wěn)定性，只有當(dāng)溫度達(dá)400℃時(shí)才出現(xiàn)明顯的氧化，生成一氧化碳（CO）與二氧化碳（CO2），避免了鋼鐵材料的生銹問(wèn)題。曾有學(xué)者將PAN基碳纖維浸泡在氫氧化鈉強(qiáng)堿溶液中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)30多年的時(shí)間它仍保持纖維形態(tài)[3]。

③碳纖維材料無(wú)蠕變，具有優(yōu)良的抗疲勞性能，且軸向熱膨脹系數(shù)小，溫度的變化對(duì)材料的性能影響不大，在溫度條件比較惡劣的環(huán)境下，這一性能優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

④碳纖維材料具有顯著的各向異性，柔軟可加工性強(qiáng)，可加工成各種織物如一定厚度的碳纖維布。碳纖維布可以在基本不增加構(gòu)件自重及截面尺寸的前提下提高構(gòu)件的強(qiáng)度，這源于碳纖維比強(qiáng)度高、厚度薄，保留了織物自身的柔軟性，素有“外柔內(nèi)剛”之譽(yù)，是新一代纖維增強(qiáng)材料，故可用于橋梁、建筑物、隧道等結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)以及抗震加固。

基于碳纖維復(fù)合材料的上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外從20世紀(jì)70年代末就開(kāi)始研究碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用[4]，我國(guó)于20世紀(jì)90年代后開(kāi)始研究其在橋梁工程中的應(yīng)用。

二、碳纖維在橋梁工程中應(yīng)用的常見(jiàn)問(wèn)題

目前橋梁工程中多是混凝土橋、鋼橋以及鋼-混凝土結(jié)合橋，使用了一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：①板梁產(chǎn)生縱向裂縫，內(nèi)部鋼筋發(fā)生嚴(yán)重腐蝕；②部分板梁的混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕、霉變；③橋面上出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫；④護(hù)欄風(fēng)化嚴(yán)重，混凝土剝落和鋼筋生銹[5]。以致越來(lái)越多的橋梁存在安全隱患甚至成為危橋，對(duì)交通、運(yùn)輸產(chǎn)生很大影響。更加惡劣的建設(shè)條件如強(qiáng)風(fēng)、深水、惡劣天氣等；更廣闊的功能需求如公鐵合建、全天候通車、高速鐵路交通等；更巨大的工程如瓊州海峽、臺(tái)灣海峽等，未來(lái)橋梁工程材料的性能要求將面臨新的挑戰(zhàn)。

面對(duì)橋梁工程中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)性能特點(diǎn)，各國(guó)科學(xué)家掀起了將碳纖維復(fù)合材料用于橋梁工程的研究熱潮。目前走在世界前列的主要有日本、美國(guó)、德國(guó)以及韓國(guó)等少數(shù)國(guó)家，世界碳纖維產(chǎn)量達(dá)到4萬(wàn)t/a以上，其中60%的碳纖維產(chǎn)量被日本占據(jù)。我國(guó)對(duì)碳纖維的研究起步較晚，且進(jìn)展緩慢，制備工藝一直未得到突破，基本依賴進(jìn)口。直到21世紀(jì)，國(guó)產(chǎn)碳纖維才逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，加入碳纖維生產(chǎn)行列的企業(yè)逐漸增多，取得了一定成績(jī)。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，我國(guó)碳纖維行業(yè)定會(huì)取得較快的增長(zhǎng)速度。目前應(yīng)用廣泛的是PAN基碳纖維，因其生產(chǎn)工藝較其他方法簡(jiǎn)單，約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。

三、碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的研究和應(yīng)用情況

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁工程作為交通運(yùn)輸?shù)臉屑~其重要性日益明顯，而橋梁的質(zhì)量和壽命即成為重中之重。危及橋梁安全性和耐久性的關(guān)鍵之處即鋼材的銹蝕問(wèn)題，能否采取有效措施提高材料性能抵抗鋼材的銹蝕，或者選擇有效材料代替鋼材應(yīng)用到橋梁工程中一直困擾著人們。碳纖維復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐腐蝕、質(zhì)量輕等獨(dú)特的性能特點(diǎn)，吸引了人們的眼球。隨著碳纖維材料制備工藝的日漸成熟所帶來(lái)的規(guī)?；a(chǎn)以及碳纖維生產(chǎn)成本的逐年降低，且性能越來(lái)越好，碳纖維材料的商業(yè)化和民用化指日可待，它在橋梁結(jié)構(gòu)工程中的廣泛應(yīng)用必將帶來(lái)橋梁工程的快速發(fā)展。

1.碳纖維復(fù)合材料用于修建橋梁

將碳纖維復(fù)合材料制作成絞線和棒材與鋼筋混合使用，甚至替代鋼筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。利用碳纖維復(fù)合材料耐腐蝕性、耐堿性，在混凝土中不會(huì)像金屬一樣易銹蝕而影響使用壽命。日本首次在混凝土橋梁中采用碳纖維復(fù)合材料作力筋來(lái)修建橋梁。德國(guó)也于1991年將碳纖維復(fù)合材料制造成絞線應(yīng)用到一座后張預(yù)應(yīng)力混凝土高速跨線橋中，用楔形系統(tǒng)錨固在梁上[6]。碳纖維復(fù)合材料在橋梁中的應(yīng)用，特別是碳纖維復(fù)合材料的絞線和棒材用作預(yù)應(yīng)力筋和體外筋的實(shí)踐，為碳纖維復(fù)合材料用作超大跨橋梁的纜索材料打下應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.碳纖維復(fù)合材料用于斜拉橋拉索

橋梁拉索和吊索發(fā)生破壞的主要原因也是銹蝕，這對(duì)材料的抗疲勞和抗腐蝕能力要求較高。而碳纖維材料具有優(yōu)良的耐腐蝕、抗疲勞性、強(qiáng)度、彈性模量等，故有學(xué)者嘗試將碳纖維增強(qiáng)作為制作斜拉索和吊索的材料。瑞士著名的Winterthern Storchenbrucke橋中的斜拉索就部分采用了碳纖維復(fù)合材料[7]。該橋使用了2根由碳纖維復(fù)合材料制成的斜拉索，每根拉索又是由241根5mm的碳纖維復(fù)合材料筋束組成。隨著科技的不斷進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料性能的不斷提高及成本的下降，其應(yīng)用在拉索和吊索中的比例將不斷提高。

3.碳纖維復(fù)合材料用于橋梁加固

伴隨交通運(yùn)輸?shù)娜找娣泵Γ承┕窐蛄洪L(zhǎng)期處于超負(fù)荷的狀態(tài)，再加上老化、破損等現(xiàn)象的出現(xiàn)，我國(guó)約有30%的橋梁處于不堪重負(fù)的狀態(tài)。若拆除重建則發(fā)生交通中斷從而影響交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，故在舊橋的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行加固成為緩解交通一種行之有效的措施。

（1）用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加固

碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)利用樹(shù)脂類材料把碳纖維材料粘貼于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，形成復(fù)合材料體，使原有鋼筋混凝土和碳纖維共同形成受力面，從而增加橋體結(jié)構(gòu)的抗剪和抗彎能力，改善力學(xué)性能。

美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代末至80年代初就開(kāi)始研究碳纖維復(fù)合材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)中的應(yīng)用情況。我國(guó)從1997年才開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)，盡管起步晚，前幾年發(fā)展較緩慢，但伴隨著我國(guó)科學(xué)的不斷進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，目前越來(lái)越多的高校和科研院所投入此項(xiàng)研究工作，同時(shí)也取得了令人矚目的研究成果。我國(guó)的土木建筑市場(chǎng)最具潛力，碳纖維加固技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將獲得不斷增長(zhǎng)。

碳纖維加固分為碳纖維布加固和碳纖維板加固2種，在實(shí)際工程中用來(lái)加固的碳纖維材料主要是碳纖維布，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①加固效果明顯：采用環(huán)氧樹(shù)脂將碳纖維布與鋼筋混凝土構(gòu)件粘貼在一起，從而達(dá)到共同協(xié)作受力的效果，強(qiáng)度提高明顯，如混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載力和延性都得到了很大提高，達(dá)到加固修補(bǔ)的目的[8]。

②耐酸、堿、鹽類介質(zhì)的腐蝕：碳纖維布在加固過(guò)程中只采用了環(huán)氧樹(shù)脂，無(wú)金屬材料的加入，因此不會(huì)生銹，無(wú)需像粘鋼法那樣需要的定期防銹維護(hù)。且碳纖維耐酸、堿等的腐蝕，可應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣的構(gòu)件加固，尤其適合于沿海地區(qū)空氣濕度大，鹽堿含量較高的地區(qū)。

③施工簡(jiǎn)便、速度快：碳纖維布密度小，質(zhì)量輕且柔性好，因此可將碳纖維布帶至施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸大小進(jìn)行裁剪，可操作性強(qiáng)；施工過(guò)程中，使用小型電動(dòng)工具即可，無(wú)需大型設(shè)備，施工方便；不需要現(xiàn)場(chǎng)固定設(shè)施，占用場(chǎng)地少，可用操作空間要求較寬松，無(wú)濕作業(yè)，操作比較容易；施工速度快，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼加固工效的4～8倍。

④保持原結(jié)構(gòu)不變，外觀漂亮：該操作僅僅是在原結(jié)構(gòu)表面粘貼多層碳纖維布，根據(jù)構(gòu)件形狀進(jìn)行裁剪和粘貼碳纖維布，未改變?cè)Y(jié)構(gòu)，還可在外層涂刷裝飾材料和防火材料以提高其觀賞性和安全性。另外，碳纖維材料預(yù)浸料質(zhì)量輕且薄，單層粘貼后厚度僅 1.0mm左右，粘貼后單位面積質(zhì)量小于1.0kg（包括樹(shù)脂），故施工后不增加構(gòu)建的質(zhì)量和體積，環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)，不需要錨固螺栓，對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)新的損傷。且可根據(jù)受力情況需要粘貼若干層。

⑤通過(guò)封閉混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

⑥碳纖維復(fù)合材料加固橋梁易于施工，施工時(shí)間短。

⑦適用面廣：碳纖維復(fù)合材料加固修補(bǔ)施工靈活，不受構(gòu)件結(jié)構(gòu)類型、形狀、施工部位的限制，可廣泛用于各種加固修補(bǔ)，這是目前任何一種結(jié)構(gòu)加固方法所不可比擬的。

（2）碳纖維布在橋梁加固中的原理

在外力作用下，粘結(jié)劑能夠有效集中碳纖維絲的力量，使碳纖維絲在碳纖維布里形成共同的受力面，產(chǎn)生集體受力作用，并對(duì)核心混凝土產(chǎn)生約束作用，防止主筋發(fā)生屈服，從而提高鋼筋混凝土的承載力，最終實(shí)現(xiàn)橋梁的加固。

將碳纖維復(fù)合材料用于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的加固，得到世界各國(guó)的普遍認(rèn)可，且相當(dāng)重視，它將成為未來(lái)混凝土橋梁加固修復(fù)的有效措施。

四、展望

隨著碳纖維復(fù)合材料在橋梁加固中的優(yōu)勢(shì)逐漸突顯，混凝土橋梁的加固修復(fù)迎來(lái)了新的發(fā)展，同時(shí)帶來(lái)了橋梁建設(shè)材料的發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)了橋梁技術(shù)的進(jìn)步，從而帶動(dòng)橋梁工程的快速發(fā)展。隨著碳纖維復(fù)合材料制備技術(shù)的不斷成熟，生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大及生產(chǎn)成本的不斷降低，其在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大。如果說(shuō)鋼鐵和水泥是20世紀(jì)橋梁施工的主要材料，那么碳纖維復(fù)合材料將有可能成為21世紀(jì)的主要建橋材料，且是實(shí)現(xiàn)高跨度橋梁的理想材料。

利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行舊橋加固和修復(fù)，不僅降低成本，且效果理想，是橋梁加固修復(fù)的首選材料。將碳纖維復(fù)合材料筋束作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的力筋，或斜拉橋的拉索，發(fā)揮其優(yōu)良特性，逐步削減鋼材在橋梁施工中比例，應(yīng)當(dāng)作為碳纖維復(fù)合材料在橋梁中應(yīng)用的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅益鋒，羅晰旻.高性能纖維及其復(fù)合材料的新形勢(shì)與創(chuàng)新思路[J].高科技纖維與應(yīng)用，2016（1）：1-7.

[2] 吳謙，王東.高性能纖維研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程師，2013（9）：48-50.

[3] 高達(dá).碳纖維在橋梁加固補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2009（11）：105.

[4] 安鵬.碳纖維材料在橋梁加固應(yīng)用技術(shù)研究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（下），2015（3）3：150.

[5] 吳體飛.碳纖維布在橋梁加固維修中的應(yīng)用[J].江西建材，2015（3）：144.

[6] 李濤.復(fù)合材料在橋梁中的應(yīng)用[J].交通世界（工程技術(shù)），2014（4）：156-157.

[7] 崔亞楠，段寶林.復(fù)合材料在道路橋梁工程中的應(yīng)用及前景[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003（12）：221-223.

[8] 張智霖，陳狀.碳纖維加固在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014（6）：1.