纖維增強復合材料在橋梁工程的應用

張錦澤，趙天琪，白 泱，鮑慶偉，程 雪

(中建交通建設集團有限公司，北京 100071 ）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，橋梁工程建設特點己經(jīng)朝著跨度大、強度高、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)在橋梁建設的需求。并且伴隨著交通運輸業(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用高性能的建設材料。在此背景下，復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材料［2］。復合材料以其耐腐蝕、抗疲勞、重量輕、強度高、可設計性強以及不同的材料復合后還可以應用于特殊環(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中［3］。

1 纖維增強復合材料的增強機理

纖維增強復合材料是采用纖維材料增強體，無機非金屬材料基體通過一定的混合工藝組成的異質(zhì)新型復合材料［4］。纖維增強無機非金屬復合材料在保留增強體和基體原有的材料性質(zhì)的基礎上通過材料的復合效應獲得更優(yōu)良的原材料不具備的材料性能。纖維增強體的強度高、模量高且與無機非金屬基體之間因為相似相容從而具有良好的界面相容性，二者具有相匹配的膨脹系數(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體的纖維上，由于纖維與基體間有良好的界面結合強度，能夠保證基體所承受的載荷能通過界面?zhèn)鬟f給纖維，由于作為增強體的纖維模量遠高于無機非金屬基體的模量，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，從而使纖維無機非金屬基體復合材料的強度提高［5］。并且作為增強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非金屬基體的保護，纖維無機非金屬復合材料在承受荷載時產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生將在其周圍產(chǎn)生壓應力場，利用其所形成的壓應力場，反過來阻止裂紋繼續(xù)擴展。因此，纖維增強無機非金屬復合材料不易在承載中產(chǎn)生裂紋，并且能夠增大承載力。

2 纖維增強復合材料的應用特性

(1) 強度高，自重輕。橋梁工程中復合材料多采用纖維增強基體材料，在獲得更大強度的同時減少水泥混凝土基體中水泥、骨料的用量［6］。纖維增強復合材料本身密度小，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、抗折等力學性能，應用于橋梁新建或加固工程中更加安全經(jīng)濟。(2)耐腐蝕。纖維增強復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］，且纖維增強后的混凝土材料抗碳化。因此纖維復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)更有設計性。纖維增強復合材料強度高，用于建造橋梁可以滿足設計強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到橋梁布設形式更加靈活的目的。

3 纖維增強復合材料在橋梁工程的應用

3.1 碳纖維增強復合材料

碳纖維增強復合材料(CFRP)用于橋梁加固工程時，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度、抗彎強度，限制梁體裂縫發(fā)展［8］。CFRP用于加橋梁加固工程時如未進行錨定會引起剝離破壞，若采用多層CFRP作用于加固區(qū)域同時選用適當?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，也存在一定的缺陷，需在裂縫開展、應變發(fā)展較大時才能夠形成高強抗裂作用，且不能修復原始損傷。所以對CFRP進行預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施加預應力，可以使CFRP的強度得到充分發(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）、細骨料組成進行加熱蒸汽養(yǎng)護成型的混凝土材料［10］。一般用于橋梁墩柱建造。UHPC的特點是不含粗骨料、低水灰比、加入活性材料硅灰，不同粒徑的細骨料根據(jù)最大密實度原則堆積，形成了材料內(nèi)部密實度大、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］。在工程實踐當中，通常會在UHPC當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 亂向分布纖維增強水泥基復合材料

亂向分布纖維增強工程水泥基復合材料(ECC)是一種從微觀力學和斷裂力學的角度出發(fā)，通過添加纖維增強體對水泥基體界面進行增強設計的復合材料［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，在受拉時纖維可以將應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和陶瓷材料特點的新型無機膠凝材料［14］。MPC的組成成分有氧化鎂、磷酸鹽和外摻劑（緩凝劑），具有凝結硬化快、早期強度高、耐磨、耐火、耐腐蝕性、抗凍融性好、無毒、無污染等優(yōu)點。由于MPC具有一定陶瓷特性，所以在工程實踐當中需要加入纖維改善MPC的高脆性缺點。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膜，起到防水、防腐蝕的作用，為CFRP加固橋梁提供強大的粘結力，增加CFRP加固工程的耐久性，縮短施工時間增加加固后橋梁的服役年限。

4 結語

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