碳纖維增強(qiáng)聚合物在橋梁工程中的應(yīng)用

李博彥

（廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)取得了前所未有的發(fā)展，這必然要求橋梁具有更好的營(yíng)運(yùn)功能與更長(zhǎng)的服役時(shí)間，但是超負(fù)荷承載車輛的傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋梁較易產(chǎn)生一系列病害問(wèn)題，如鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂等，會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的正常使用功能與壽命。碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量和低密度的特點(diǎn)，其與聚合物材料復(fù)合形成碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，可以有效減輕橋梁的自重負(fù)荷，從而降低了橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。可見(jiàn)，CFRP可廣泛應(yīng)用于斜拉橋拉索、橋梁梁板、橋墩、橋面鋪裝和橋梁加固等方面[1]，其獨(dú)特性和優(yōu)勢(shì)在橋梁工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[2-3]。

1 碳纖維增強(qiáng)聚合物優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

碳纖維是由聚丙烯腈、瀝青、粘膠等高分子材料在1000 ℃以上高溫的惰性氣體下碳化而制成的一種含碳量在90%以上的纖維。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的高性能纖維，比重不到鋼的1/4，比強(qiáng)度可達(dá)到2000 MPa/(g/cm3)以上，比強(qiáng)度和比模量均比鋼材高。碳纖維還具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等。碳纖維增強(qiáng)聚合物是由碳纖維與聚合物材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法形成具有新性能的復(fù)合材料，各種材料組份在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同工況的要求。碳纖維增強(qiáng)聚合物具有重量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。此外，碳纖維增強(qiáng)聚合物具有良好的阻尼特性、抗疲勞性能和優(yōu)異的抗震性能，正被廣泛用作各種形式的橋梁結(jié)構(gòu)材料，結(jié)合良好的抗腐蝕性能，可延長(zhǎng)橋梁的使用壽命[4]。

碳纖維增強(qiáng)聚合物的基體樹(shù)脂具有良好的可塑性，這為大批量化生產(chǎn)CFRP提供了技術(shù)可行性。依據(jù)所用基體樹(shù)脂的不同類別，碳纖維增強(qiáng)聚合物主要分為熱固性樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料和熱塑性樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料。熱固性樹(shù)脂由反應(yīng)性低分子量預(yù)聚體或帶有活性基團(tuán)高分子量的聚合物組成，成型過(guò)程中在固化劑或熱作用下進(jìn)行交聯(lián)固化，形成不熔不溶的交聯(lián)體型結(jié)構(gòu)，常用環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等；熱塑性樹(shù)脂由線型高分子量聚合物組成，在一定條件下溶解和熔融，只發(fā)生物理變化，常用聚乙烯、聚丙烯、尼龍等。結(jié)合樹(shù)脂成型加工技術(shù)特點(diǎn)，碳纖維增強(qiáng)聚合物成型加工技術(shù)發(fā)展了手糊成型、模壓成型、拉擠成型、纏繞成型、樹(shù)脂傳遞模塑、熱壓罐成型等成型加工技術(shù)，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，碳纖維增強(qiáng)聚合物進(jìn)而可適合模塊化橋梁結(jié)構(gòu)建造、環(huán)保維護(hù)與養(yǎng)護(hù)需求等技術(shù)領(lǐng)域。

2 碳纖維增強(qiáng)聚合物在橋梁中的應(yīng)用

近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)聚合物在自身的成型工藝方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，批量制造橋梁或橋梁部件成為現(xiàn)實(shí)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高，能滿足大工程量的使用需求。目前，纖維增強(qiáng)聚合物在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在橋梁拉索、橋梁梁板、橋梁加固、橋墩和橋面鋪裝中。

2.1 斜拉橋拉索

傳統(tǒng)斜拉橋鋼索在使用中普遍存在兩大技術(shù)瓶頸[5]：一是拉索的銹蝕問(wèn)題，拉索長(zhǎng)期受空氣環(huán)境溫度與濕度等作用而銹蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生斷索事故；二是拉索跨度增大引起承載效率低下的問(wèn)題。橋梁跨度增長(zhǎng)導(dǎo)致拉索長(zhǎng)度更大，承擔(dān)更重的主梁使得拉索自重呈幾何倍數(shù)增加，結(jié)構(gòu)承載效率降低。CFRP兼具良好的抗腐蝕性和輕質(zhì)高強(qiáng)兩大優(yōu)勢(shì)，有利于解決鋼索遭遇的兩大難題，CFRP優(yōu)異的耐疲勞、低松弛等物理性能亦能滿足斜拉橋索結(jié)構(gòu)承力的基本需求[6]，這使CFRP作為鋼拉索的替代材料成為可能。

世界上首次將CFRP與鋼索混合應(yīng)用于1996年建成的瑞士Stork橋。隨后，美國(guó)、法國(guó)、日本在橋梁中陸續(xù)使用CFRP-Steel混合拉索，也有在荷載輕、跨度小的人行天橋中使用全CFRP索。我國(guó)首座CFRP斜拉橋誕生于2004年，梅葵花、呂志濤[7]采用CFRP作為江蘇大學(xué)人行天橋全橋拉索結(jié)構(gòu)，該橋采用獨(dú)塔雙索式結(jié)構(gòu)，共計(jì)使用16根CFRP拉索。雖然CFRP材料在橋梁領(lǐng)域一經(jīng)出現(xiàn)便受到了廣泛青睞，但材料本身造價(jià)昂貴，制作工藝復(fù)雜，目前它作為斜拉橋拉索還處于理論試驗(yàn)階段。隨著技術(shù)的發(fā)展，CFRP拉索必將越來(lái)越多地應(yīng)用于橋梁拉索中。

2.2 橋梁梁板

隨著復(fù)合材料成型加工技術(shù)的發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)聚合物或玻璃纖維/碳纖維混合復(fù)合材料制造的橋梁梁板重量輕，可被運(yùn)輸?shù)浇ㄔ飕F(xiàn)場(chǎng)或在現(xiàn)場(chǎng)組裝。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土橋面板相比，纖維增強(qiáng)材料制成的橋面板優(yōu)勢(shì)突出[8]：一是CFRP橋面板具有優(yōu)異的抗腐蝕和耐久性，養(yǎng)護(hù)成本低；二是CFRP橋面板自重較輕，利于橋梁安全使用；三是CFRP橋面板為彈性材質(zhì)，抗疲勞性能強(qiáng)。采用拉擠成型批量制成工字形、T形、槽形、箱形、多邊形、管形等型材，可建造輕質(zhì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材橋面板或與鋼筋混凝土組合橋梁梁板，減輕橋梁自重，提高橋梁跨越能力和耐久性能。可見(jiàn)，通過(guò)使用碳纖維增強(qiáng)聚合物材料制造橋梁梁板具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)化和耐久性等優(yōu)勢(shì)，提高梁板的承載能力、抗震性能和耐久性，同時(shí)減輕結(jié)構(gòu)自重，簡(jiǎn)化施工工藝。同時(shí)，材料成本、設(shè)計(jì)規(guī)范和可持續(xù)性等方面仍需綜合考慮。

2.3 橋梁加固

快速、經(jīng)濟(jì)和有效的加固技術(shù)對(duì)于在服役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)是橋梁工程的一個(gè)研究熱點(diǎn)。采用外粘接預(yù)應(yīng)力玻璃鋼板[9]和近表面安裝玻璃鋼條[10]是兩種重要的纖維增強(qiáng)材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的熱門(mén)技術(shù)。使用預(yù)應(yīng)力近表面安裝CFRP條可以結(jié)合上述兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，顯著改善構(gòu)件的彎曲承載力[11]。Nguyen-Minh L等研究了FRP-U形包加固無(wú)粘結(jié)后張梁的剪切性能，變量包括混凝土強(qiáng)度、玻璃鋼層數(shù)、玻璃鋼u形包層方案(連續(xù)和間隔)、玻璃鋼類型以及有效深度的剪切跨度變化，結(jié)果表明，混凝土強(qiáng)度越高，CFRP抗剪加固效果越好，CFRP層數(shù)、加固方案和CFRP類型對(duì)梁的抗剪性能影響較小[12]。Rafael Alves de Souza和 Vladimir José Ferrari在MATLAB平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了基于CFRP的鋼筋混凝土梁的抗彎加固設(shè)計(jì)程序[13]。

與其他加固方法(如添加鋼筋或鋼板)相比，碳纖維具有經(jīng)濟(jì)、重量輕、耐用性高等優(yōu)點(diǎn)。Bahareh Nader Tehrani使用預(yù)應(yīng)力CFRP板通過(guò)在外部粘結(jié)槽上加固的方法（EBROG）對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行彎曲加固實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在沒(méi)有任何端部錨固的情況下，EBROG技術(shù)能夠很好地將預(yù)應(yīng)力傳遞給梁，降低了加固成本[14]。M. Zoghi和 D. C. Foster采用CFRP復(fù)合帶對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的筋膜梁進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)，并成功應(yīng)用于升級(jí)霍普金斯街大橋[15]。Zhou C.等[16]提出了使用CFRP- U形條對(duì)T形RC梁進(jìn)行抗剪加固，抗剪承載力比未加固對(duì)照試件平均提高約60%，當(dāng)CFRP配筋比例較高且分布均勻時(shí)，試件強(qiáng)度最大可提高近75%，延性顯著提高。

通過(guò)使用CFRP可以加固橋梁梁板、墩柱和梁柱等關(guān)鍵部位，提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能。纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)化和耐久性等優(yōu)勢(shì)，可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，并減少維護(hù)成本。

2.4 橋墩改造

CFRP在橋墩的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。CFRP片材加固改造橋墩方式有兩種。一是在橋墩受拉側(cè)沿軸向粘貼CFRP片材，提高橋墩受拉側(cè)的抗拉強(qiáng)度和抗彎能力；二是粘貼纖維方向與橋墩中心線垂直，提高其抗剪能力。粘貼方式有間隔式條帶法、全包法等。其中，與橋墩中心線垂直包裹的方式可對(duì)橋墩混凝土產(chǎn)生約束效應(yīng)，提高橋墩承載力。

CFRP加固橋墩可以有效提高橋墩抗車輛沖擊能力。Chen X. 等[17]將鋼和CFRP用于鐵路重力橋墩的改造，經(jīng)CFRP包覆和粘結(jié)鋼加固后，橋墩承載力提高了100%以上，改善了加固橋墩的抗震性能。Zhou S.C.等[18]對(duì)16座圓形鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了縱橫向三種不同加固方式的抗震加固試驗(yàn)，通過(guò)比較使用和不使用CFRP抗震加固以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載條件下，對(duì)瞬態(tài)動(dòng)力特性、損傷演變和沖擊后損傷進(jìn)行研究，CFRP抗震加固降低了圓形鋼筋混凝土橋墩在橫向沖擊荷載作用下的易損性，滿足了多災(zāi)害預(yù)防要求，提高了橋梁耐用性。Li R.等[19]通過(guò)對(duì)裸柱和CFRP增強(qiáng)RC柱進(jìn)行橫向沖擊試驗(yàn)，從纖維取向、層數(shù)、加固高度以及FRP類型等方面探討加固橋墩抗車輛沖擊的有效方案。研究發(fā)現(xiàn)，與裸橋墩相比，CFRP加固橋墩可提高橋梁抗車輛沖擊的安全域度，并在一定程度上避免了高速卡車碰撞下的橋梁倒塌。Xue J.等[20]對(duì)強(qiáng)震后受損的鋼筋混凝土橋墩采用CFRP加固，提高了橋墩延性和抗剪強(qiáng)度。

通過(guò)使用CFRP或與其組合的復(fù)合材料，可以加固和增強(qiáng)老化、損傷或結(jié)構(gòu)不足的橋墩。碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)化和耐久性等優(yōu)勢(shì)，一方面可以提高橋墩的承載能力和抗震性能；另一方面它們可以用于包裹和加固橋墩柱體、增加抗彎和抗剪能力，并提供防腐蝕保護(hù)。

此外，碳纖維網(wǎng)格用于橋梁路面的鋪裝，可以提高水泥、瀝青鋪裝路面的耐久性[21]。

綜上，CFRP材料的抗腐蝕性、耐久性、輕質(zhì)高強(qiáng)等特性能滿足橋梁工程建設(shè)要求，通過(guò)充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度和輕質(zhì)化優(yōu)勢(shì)，提高橋梁的承載能力和抗震性能，纖維增強(qiáng)材料的耐久性和抗腐蝕性能可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，CFRP在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力巨大。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)科交叉正推動(dòng)各行各業(yè)技術(shù)進(jìn)步，材料學(xué)科與橋梁工程的結(jié)合勢(shì)必促進(jìn)橋梁工程的大發(fā)展，新材料的不斷涌現(xiàn)給橋梁工程發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性優(yōu)良等諸多優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)混凝土材料實(shí)現(xiàn)了有效的互補(bǔ)，甚至在相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了替代。隨著材料科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)升級(jí)材料性能、改進(jìn)施工技術(shù)、完善設(shè)計(jì)規(guī)范、開(kāi)發(fā)可循環(huán)利用的纖維增強(qiáng)材料等技術(shù)手段，碳纖維增強(qiáng)材料將在橋梁工程領(lǐng)域持續(xù)推廣應(yīng)用，有望在橋梁工程中發(fā)揮更重要的作用，實(shí)現(xiàn)更安全、更耐久和更可持續(xù)的橋梁建設(shè)。