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碳纤维复合材料在桥梁工程中的研究和应用

发布时间:2018-02-08

  一、碳纤维性能概述
  
  人们最初用天然木材、石材建造桥梁,后慢慢发展到用混凝土、钢材及特种人造材料,材料的不断进步推动了桥梁工程的不断发展。近年来,除了致力于如何提高混凝土与钢材的性能外,将纤维材料、智能材料、纳米材料等复合材料如何应用到桥梁工程中,提高桥梁的安全性和使用性。随着桥梁跨度的增大,桥梁结构的自重问题日益突显,桥梁工程材料逐渐向高强、轻质方向发展,提高桥梁性能的同时提高桥梁的观赏性。
  
  碳纤维复合材料是一种新型高性能纤维材料,是典型的高科技领域中的新型工业材料,因其独特的性能优势而有着诱人的应用前景。目前在航空航天、军工领域、汽车、电子、机械、化工、轻纺工业领域、民用体育领域等获得广泛应用。碳纤维的性能特点如下所示:
  
  ①石墨微晶沿纤维轴向堆砌后经碳化及石墨化处理得到碳纤维,故碳纤维沿纤维轴向有着很高的强度。近年来世界各国投入巨资研究生产制备碳纤维的工艺技术,美国制成的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的拉伸强度高达5.5~5.8GPa,模量达354~375GPa[1],随着生产技术的进步,这一性能指标还将得到突破。比较后不难看出,碳纤维的这些性能指标均比钢材高得多,且碳纤维材料的密度仅1.8g/cm3,只有钢材的1/4左右,故其比强度比钢材高得多,比模量也比钢高。比强度、比模量高的材料,在桥梁工程中备受青睐。
  
  ②碳纤维的含碳量一般在90%以上[2],保留了碳的固有性质,即化学性质稳定、耐蚀性出类拔萃,对一般的酸、碱具有良好的稳定性,只有当温度达400℃时才出现明显的氧化,生成一氧化碳(CO)与二氧化碳(CO2),避免了钢铁材料的生锈问题。曾有学者将PAN基碳纤维浸泡在氢氧化钠强碱溶液中,经过长达30多年的时间它仍保持纤维形态[3].
  
  ③碳纤维材料无蠕变,具有优良的抗疲劳性能,且轴向热膨胀系数小,温度的变化对材料的性能影响不大,在温度条件比较恶劣的环境下,这一性能优势尤为明显。
  
  ④碳纤维材料具有显着的各向异性,柔软可加工性强,可加工成各种织物如一定厚度的碳纤维布。碳纤维布可以在基本不增加构件自重及截面尺寸的前提下提高构件的强度,这源于碳纤维比强度高、厚度薄,保留了织物自身的柔软性,素有“外柔内刚”之誉,是新一代纤维增强材料,故可用于桥梁、建筑物、隧道等结构的加固修复以及抗震加固。
  
  基于碳纤维复合材料的上述优点,国外从20世纪70年代末就开始研究碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用[4],我国于20世纪90年代后开始研究其在桥梁工程中的应用。
  
  二、碳纤维在桥梁工程中应用的常见问题
  
  目前桥梁工程中多是混凝土桥、钢桥以及钢-混凝土结合桥,使用了一段时间后经常出现以下几个问题:①板梁产生纵向裂缝,内部钢筋发生严重腐蚀;②部分板梁的混凝土出现严重腐蚀、霉变;③桥面上出现网状裂缝;④护栏风化严重,混凝土剥落和钢筋生锈[5].以致越来越多的桥梁存在安全隐患甚至成为危桥,对交通、运输产生很大影响。更加恶劣的建设条件如强风、深水、恶劣天气等;更广阔的功能需求如公铁合建、全天候通车、高速铁路交通等;更巨大的工程如琼州海峡、台湾海峡等,未来桥梁工程材料的性能要求将面临新的挑战。
  
  面对桥梁工程中出现的诸多问题,结合碳纤维复合材料的各项性能特点,各国科学家掀起了将碳纤维复合材料用于桥梁工程的研究热潮。目前走在世界前列的主要有日本、美国、德国以及韩国等少数国家,世界碳纤维产量达到4万t/a以上,其中60%的碳纤维产量被日本占据。我国对碳纤维的研究起步较晚,且进展缓慢,制备工艺一直未得到突破,基本依赖进口。直到21世纪,国产碳纤维才逐渐进入产业化,加入碳纤维生产行列的企业逐渐增多,取得了一定成绩。预计在不久的将来,我国碳纤维行业定会取得较快的增长速度。目前应用广泛的是PAN基碳纤维,因其生产工艺较其他方法简单,约占全球碳纤维总产量的90%以上。
  
  三、碳纤维复合材料在桥梁工程中的研究和应用情况
  
  随着交通事业的快速发展,桥梁工程作为交通运输的枢纽其重要性日益明显,而桥梁的质量和寿命即成为重中之重。危及桥梁安全性和耐久性的关键之处即钢材的锈蚀问题,能否采取有效措施提高材料性能抵抗钢材的锈蚀,或者选择有效材料代替钢材应用到桥梁工程中一直困扰着人们。碳纤维复合材料因其高强度、耐腐蚀、质量轻等独特的性能特点,吸引了人们的眼球。随着碳纤维材料制备工艺的日渐成熟所带来的规模化生产以及碳纤维生产成本的逐年降低,且性能越来越好,碳纤维材料的商业化和民用化指日可待,它在桥梁结构工程中的广泛应用必将带来桥梁工程的快速发展。
  
  1.碳纤维复合材料用于修建桥梁
  
  将碳纤维复合材料制作成绞线和棒材与钢筋混合使用,甚至替代钢筋增强混凝土结构。利用碳纤维复合材料耐腐蚀性、耐碱性,在混凝土中不会像金属一样易锈蚀而影响使用寿命。日本首次在混凝土桥梁中采用碳纤维复合材料作力筋来修建桥梁。德国也于1991年将碳纤维复合材料制造成绞线应用到一座后张预应力混凝土高速跨线桥中,用楔形系统锚固在梁上[6].碳纤维复合材料在桥梁中的应用,特别是碳纤维复合材料的绞线和棒材用作预应力筋和体外筋的实践,为碳纤维复合材料用作超大跨桥梁的缆索材料打下应用基础。
  
  2.碳纤维复合材料用于斜拉桥拉索
  
  桥梁拉索和吊索发生破坏的主要原因也是锈蚀,这对材料的抗疲劳和抗腐蚀能力要求较高。而碳纤维材料具有优良的耐腐蚀、抗疲劳性、强度、弹性模量等,故有学者尝试将碳纤维增强作为制作斜拉索和吊索的材料。瑞士着名的Winterthern Storchenbrucke桥中的斜拉索就部分采用了碳纤维复合材料[7].该桥使用了2根由碳纤维复合材料制成的斜拉索,每根拉索又是由241根5mm的碳纤维复合材料筋束组成。随着科技的不断进步,碳纤维复合材料性能的不断提高及成本的下降,其应用在拉索和吊索中的比例将不断提高。
  
  3.碳纤维复合材料用于桥梁加固
  
  伴随交通运输的日益繁忙,某些公路桥梁长期处于超负荷的状态,再加上老化、破损等现象的出现,我国约有30%的桥梁处于不堪重负的状态。若拆除重建则发生交通中断从而影响交通运输的发展,故在旧桥的基础上对其进行加固成为缓解交通一种行之有效的措施。
  
  (1)用碳纤维复合材料进行加固
  
  碳纤维复合材料加固修复利用树脂类材料把碳纤维材料粘贴于结构或构件表面,形成复合材料体,使原有钢筋混凝土和碳纤维共同形成受力面,从而增加桥体结构的抗剪和抗弯能力,改善力学性能。
  
  美、日等发达国家从20世纪70年代末至80年代初就开始研究碳纤维复合材料在混凝土结构加固修补中的应用情况。我国从1997年才开始研究这项技术,尽管起步晚,前几年发展较缓慢,但伴随着我国科学的不断进步及经济建设的迅速发展,目前越来越多的高校和科研院所投入此项研究工作,同时也取得了令人瞩目的研究成果。我国的土木建筑市场最具潜力,碳纤维加固技术在建筑结构的应用将获得不断增长。
  
  碳纤维加固分为碳纤维布加固和碳纤维板加固2种,在实际工程中用来加固的碳纤维材料主要是碳纤维布,主要优势体现在以下几个方面:
  
  ①加固效果明显:采用环氧树脂将碳纤维布与钢筋混凝土构件粘贴在一起,从而达到共同协作受力的效果,强度提高明显,如混凝土结构及构件的承载力和延性都得到了很大提高,达到加固修补的目的[8].
  
  ②耐酸、碱、盐类介质的腐蚀:碳纤维布在加固过程中只采用了环氧树脂,无金属材料的加入,因此不会生锈,无需像粘钢法那样需要的定期防锈维护。且碳纤维耐酸、碱等的腐蚀,可应用于工作环境恶劣的构件加固,尤其适合于沿海地区空气湿度大,盐碱含量较高的地区。
  
  ③施工简便、速度快:碳纤维布密度小,质量轻且柔性好,因此可将碳纤维布带至施工现场,根据现场尺寸大小进行裁剪,可操作性强;施工过程中,使用小型电动工具即可,无需大型设备,施工方便;不需要现场固定设施,占用场地少,可用操作空间要求较宽松,无湿作业,操作比较容易;施工速度快,粘贴碳纤维的加固工效是粘贴钢加固工效的4~8倍。
  
  ④保持原结构不变,外观漂亮:该操作仅仅是在原结构表面粘贴多层碳纤维布,根据构件形状进行裁剪和粘贴碳纤维布,未改变原结构,还可在外层涂刷装饰材料和防火材料以提高其观赏性和安全性。另外,碳纤维材料预浸料质量轻且薄,单层粘贴后厚度仅 1.0mm左右,粘贴后单位面积质量小于1.0kg(包括树脂),故施工后不增加构建的质量和体积,环氧树脂黏结,不需要锚固螺栓,对原结构无新的损伤。且可根据受力情况需要粘贴若干层。
  
  ⑤通过封闭混凝土结构产生的裂缝,延长混凝土结构的使用寿命。
  
  ⑥碳纤维复合材料加固桥梁易于施工,施工时间短。
  
  ⑦适用面广:碳纤维复合材料加固修补施工灵活,不受构件结构类型、形状、施工部位的限制,可广泛用于各种加固修补,这是目前任何一种结构加固方法所不可比拟的。
  
  (2)碳纤维布在桥梁加固中的原理
  
  在外力作用下,粘结剂能够有效集中碳纤维丝的力量,使碳纤维丝在碳纤维布里形成共同的受力面,产生集体受力作用,并对核心混凝土产生约束作用,防止主筋发生屈服,从而提高钢筋混凝土的承载力,最终实现桥梁的加固。
  
  将碳纤维复合材料用于混凝土桥梁结构的加固,得到世界各国的普遍认可,且相当重视,它将成为未来混凝土桥梁加固修复的有效措施。
  
  四、展望
  
  随着碳纤维复合材料在桥梁加固中的优势逐渐突显,混凝土桥梁的加固修复迎来了新的发展,同时带来了桥梁建设材料的发展,进而推动了桥梁技术的进步,从而带动桥梁工程的快速发展。随着碳纤维复合材料制备技术的不断成熟,生产规模的不断壮大及生产成本的不断降低,其在桥梁领域的应用范围将逐步扩大。如果说钢铁和水泥是20世纪桥梁施工的主要材料,那么碳纤维复合材料将有可能成为21世纪的主要建桥材料,且是实现高跨度桥梁的理想材料。
  
  利用碳纤维复合材料进行旧桥加固和修复,不仅降低成本,且效果理想,是桥梁加固修复的首选材料。将碳纤维复合材料筋束作为预应力混凝土桥梁的力筋,或斜拉桥的拉索,发挥其优良特性,逐步削减钢材在桥梁施工中比例,应当作为碳纤维复合材料在桥梁中应用的重点。

  参考文献

  [1] 罗益锋,罗晰旻.高性能纤维及其复合材料的新形势与创新思路[J].高科技纤维与应用,2016(1):1-7.
  [2] 吴谦,王东.高性能纤维研究进展[J].化学工程师,2013(9):48-50.
  [3] 高达.碳纤维在桥梁加固补强中的应用[J].工程技术,2009(11):105.
  [4] 安鹏.碳纤维材料在桥梁加固应用技术研究[J].建材发展导向(下),2015(3)3:150.
  [5] 吴体飞.碳纤维布在桥梁加固维修中的应用[J].江西建材,2015(3):144.
  [6] 李涛.复合材料在桥梁中的应用[J].交通世界(工程技术),2014(4):156-157.
  [7] 崔亚楠,段宝林.复合材料在道路桥梁工程中的应用及前景[J].内蒙古科技与经济,2003(12):221-223.
  [8] 张智霖,陈状.碳纤维加固在钢筋混凝土结构中的应用[J].城市建设理论研究,2014(6):1.

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