纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程的應(yīng)用

張錦澤，趙天琪，白 泱，鮑慶偉，程 雪

( 中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071 ）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，橋梁工程建設(shè)特點(diǎn)己經(jīng)朝著跨度大、強(qiáng)度高、功能多、自重輕、外觀美、環(huán)境和諧等趨勢發(fā)展［1］。傳統(tǒng)的混凝土、鋼材、砌體等材料己經(jīng)不能滿足現(xiàn)在橋梁建設(shè)的需求。并且伴隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，巨大的交通流量、更極限的使用條件也要求橋梁工程中應(yīng)用高性能的建設(shè)材料。在此背景下，復(fù)合材料成為除水泥混凝土、鋼材、砌體材料之外的第四大類橋梁建設(shè)材料［2］。復(fù)合材料以其耐腐蝕、抗疲勞、重量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及不同的材料復(fù)合后還可以應(yīng)用于特殊環(huán)境等一系列的優(yōu)勢備受橋梁工程的青睞，被廣泛用于橋梁工程當(dāng)中［3］。

1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是采用纖維材料增強(qiáng)體，無機(jī)非金屬材料基體通過一定的混合工藝組成的異質(zhì)新型復(fù)合材料［4］。纖維增強(qiáng)無機(jī)非金屬復(fù)合材料在保留增強(qiáng)體和基體原有的材料性質(zhì)的基礎(chǔ)上通過材料的復(fù)合效應(yīng)獲得更優(yōu)良的原材料不具備的材料性能。纖維增強(qiáng)體的強(qiáng)度高、模量高且與無機(jī)非金屬基體之間因?yàn)橄嗨葡嗳輳亩哂辛己玫慕缑嫦嗳菪?，二者具有相匹配的膨脹系?shù)、泊松比。外界荷載通過界面將外力荷載有效地傳遞到作為增強(qiáng)體的纖維上，由于纖維與基體間有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，能夠保證基體所承受的載荷能通過界面?zhèn)鬟f給纖維，由于作為增強(qiáng)體的纖維模量遠(yuǎn)高于無機(jī)非金屬基體的模量，模量的不同使兩種材料產(chǎn)生了不同形變（位移），在基體上產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，纖維受力斷裂后被從基體中拔出，需克服基體對纖維的粘接力，從而使纖維無機(jī)非金屬基體復(fù)合材料的強(qiáng)度提高［5］。并且作為增強(qiáng)體的纖維因直徑較小，產(chǎn)生裂紋的幾率降低。纖維的表面受到無機(jī)非金屬基體的保護(hù)，纖維無機(jī)非金屬復(fù)合材料在承受荷載時(shí)產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生將在其周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力場，利用其所形成的壓應(yīng)力場，反過來阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。因此，纖維增強(qiáng)無機(jī)非金屬復(fù)合材料不易在承載中產(chǎn)生裂紋，并且能夠增大承載力。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用特性

(1) 強(qiáng)度高，自重輕。橋梁工程中復(fù)合材料多采用纖維增強(qiáng)基體材料，在獲得更大強(qiáng)度的同時(shí)減少水泥混凝土基體中水泥、骨料的用量［6］。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料本身密度小，材料輕，并且由于纖維本身的材料特性，具有卓越的抗彎、抗拉、抗壓、抗折等力學(xué)性能，應(yīng)用于橋梁新建或加固工程中更加安全經(jīng)濟(jì)。(2) 耐腐蝕。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維的橋接作用可以使混凝土基體裂縫不開展，并且徐變不發(fā)展，裂縫綿密、不向梁體內(nèi)部豎向發(fā)展［7］，且纖維增強(qiáng)后的混凝土材料抗碳化。因此纖維復(fù)合材料橋梁不易受到氯離子侵蝕，耐腐蝕，混凝土性能穩(wěn)定。(3)更有設(shè)計(jì)性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度高，用于建造橋梁可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的條件下采用更小的梁體截面，更薄的橋面板從而可以達(dá)到橋梁布設(shè)形式更加靈活的目的。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁工程的應(yīng)用

3.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)用于橋梁加固工程時(shí)，對于配筋率低的橋梁加固效果尤其良好，能夠顯著提高被加固梁的抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，限制梁體裂縫發(fā)展［8］。CFRP 用于加橋梁加固工程時(shí)如未進(jìn)行錨定會引起剝離破壞，若采用多層CFRP 作用于加固區(qū)域同時(shí)選用適當(dāng)?shù)腻^固長度則可以有效避免CFRP 的剝離破壞。CFRP直接黏貼用于橋梁加固時(shí)，也存在一定的缺陷，需在裂縫開展、應(yīng)變發(fā)展較大時(shí)才能夠形成高強(qiáng)抗裂作用，且不能修復(fù)原始損傷。所以對CFRP 進(jìn)行預(yù)張拉能夠有效改善正常使用狀態(tài)下的梁受荷狀態(tài)，有效提高混凝土梁的承載力，減小梁的撓度和裂縫寬度；在錨固充足的情況下, 對CFRP 施加預(yù)應(yīng)力，可以使CFRP 的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮［9］。

3.2 超高性能水泥混凝土材料

超高性能混凝土（UHPC）是泛指由水泥、活性材料（硅灰）、纖維（主要為鋼纖維、聚丙烯纖維等）、細(xì)骨料組成進(jìn)行加熱蒸汽養(yǎng)護(hù)成型的混凝土材料［10］。一般用于橋梁墩柱建造。UHPC 的特點(diǎn)是不含粗骨料、低水灰比、加入活性材料硅灰，不同粒徑的細(xì)骨料根據(jù)最大密實(shí)度原則堆積，形成了材料內(nèi)部密實(shí)度大、早期裂縫迅速密集開展但裂縫開裂程度低的狀態(tài), 保證了UHPC 具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐久性能、耐腐蝕性能、抗碳化性能和抗氯離子侵蝕性能。UHPC 能夠抗碳化、耐腐蝕、耐氯離子侵蝕主要是由于UHPC 產(chǎn)生的開裂是密集的微小的裂縫，降低了裂縫的總寬度，從而降低了氯離子等有害物質(zhì)的滲透性［11］。在工程實(shí)踐當(dāng)中，通常會在UHPC 當(dāng)中摻加波紋型鋼纖維或聚丙烯纖維，從而使UHPC 更具韌性和延性、抗拉強(qiáng)度更高、彈性模量更大，這主要是由于鋼纖維在混凝土內(nèi)部起橋接作用。

3.3 亂向分布纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料

亂向分布纖維增強(qiáng)工程水泥基復(fù)合材料(ECC) 是一種從微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，通過添加纖維增強(qiáng)體對水泥基體界面進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料［12］。ECC具有高抗裂性能、高韌性、高抗彎曲變形能力，主要用于橋梁梁體的建造。ECC 材料通過內(nèi)部纖維的橋接作用，在受拉時(shí)纖維可以將應(yīng)力均勻地傳遞到未受力未開裂區(qū)域，因此裂縫開展緩慢，裂縫綿密且不向梁體內(nèi)部縱向發(fā)展。ECC 材料具有優(yōu)良的延性、韌性、強(qiáng)度、抗裂縫發(fā)展以及抗彎曲變形的能力。ECC 材料建造的橋梁可以較少配筋，橋面板減薄，減輕自重。尤其在地震作用下的延性破壞特征，使ECC 材料梁體最大限度地不產(chǎn)生破壞，保證梁體完整［13］，適宜用于地震帶地區(qū)橋梁修建。

3.4 高韌性磷酸鎂水泥復(fù)合材料

高韌性磷酸鎂水泥( 簡稱MPC) 是一種兼具水泥材料特點(diǎn)和陶瓷材料特點(diǎn)的新型無機(jī)膠凝材料［14］。MPC 的組成成分有氧化鎂、磷酸鹽和外摻劑（緩凝劑），具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、耐磨、耐火、耐腐蝕性、抗凍融性好、無毒、無污染等優(yōu)點(diǎn)。由于MPC 具有一定陶瓷特性，所以在工程實(shí)踐當(dāng)中需要加入纖維改善MPC 的高脆性缺點(diǎn)。常用于改善MPC 脆性的纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維，纖維摻入MPC 后通過纖維的橋接作用極大地增加了MPC 的韌性以及抗折強(qiáng)度、延性、彎曲性能以及抗壓和耐磨性能。MPC 一般用于橋梁加固工程與CFRP配合使用改善CFRP 加固施工的剝離病害［15］。這主要是由于MPC 能夠在CFRP 筋材四周形成一層致密的保護(hù)膜，起到防水、防腐蝕的作用，為CFRP 加固橋梁提供強(qiáng)大的粘結(jié)力，增加CFRP 加固工程的耐久性，縮短施工時(shí)間增加加固后橋梁的服役年限。

4 結(jié)語

橋梁工程作為跨越障礙的主要結(jié)構(gòu)形式，其發(fā)展與社會、經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)技術(shù)密不可分。從橋梁服役環(huán)境和應(yīng)用場景的角度來看，我國的橋梁服役環(huán)境的特點(diǎn)是海洋環(huán)境、艱險(xiǎn)山區(qū)環(huán)境，極端氣候環(huán)境多，交通特點(diǎn)是載重荷載大、交通流速度高、交通流量大。這就要求橋梁建造和養(yǎng)護(hù)的材料與技術(shù)必須滿足極端環(huán)境的使用需求，大量的高強(qiáng)度、高性能復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用推動(dòng)了橋梁設(shè)計(jì)、橋梁施工、橋梁加固的新技術(shù)的發(fā)展。