碳纤维复合材料在桥梁建筑中的应用

2012-07-24周显东江晓禹

四川建筑 2012年3期

冉冉，周显东，江晓禹

(西南交通大学，四川成都610031)

1 碳纤维及其复合材料的发展状况

随着新型复合材料的研发不断取得成功，生产工艺的不断成熟，其在建筑行业中正不断得到大量的使用。碳纤维增强复合材料(CFRP)具有质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨、蠕变小、化学惰性、振动衰减稳定、抗电磁干扰和生物相容性好等优点，逐渐得到建筑业的重视。目前世界各国发展的主要是PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。其中PAN基碳纤维是主流，占世界碳纤维市场的90%以上[1]。

碳纤维增强复合材料(CFRP)在桥梁建筑行业中的具体应用，包括结构补强材料，斜拉桥/悬索桥的拉索，以及纤维混凝土复合材料(用于混凝土的增强筋)。其中碳纤维布加固技术是一种使用较普遍、性能较好的结构外部加固新技术，近几年在国内外逐渐被推广应用开来，已完全产业化。碳纤维拉索(CFCC)和增强筋目前还处于开发阶段，正在不断地应用到桥梁工程中，特别是碳纤维拉索，在解决斜拉桥/悬索桥的跨度、寿命、抗风雨振动方面，表现出了巨大的潜力。

2 碳纤维及其复合材料的性能及优势

碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化合成的无机纤维，其化学组成中含碳量在90%以上。碳纤维具有质量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨、蠕变小、化学惰性、振动衰减稳定、抗电磁干扰和生物相容性好等优点，同时具有良好的传热和导电性能[2]见表1。

作为复合材料，碳纤维增强塑料(CFRP)筋、玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋、芳纶纤维增强塑料(AFRP)筋在物理、力学性能上有许多共性，但也存在许多差异:

(1)CFRP筋纵向抗拉强度最高，达到甚至超过高强度钢筋;AFRP筋居中，与高强度钢筋相近;GERP最低，略低于高强度钢筋;

(2)CFRP筋弹性模量最高，相当于高强度钢筋的75%，AFRP和GFRP依次降低;

(3)和高强度钢筋相比，FRP筋存在着蠕变变断裂问题。GERP筋最容易发生蠕变断裂，CFRP不易断裂，而AFRP筋居中;

表1 不同纤维筋的力学性能及其与普通钢筋和高强度钢筋的力学性能比较

(4)CFRP筋和AFRP筋抗疲劳性能明显优于钢筋，而GFRP筋抗疲劳性能略低于钢筋;

(5)CFRP筋和GFRP筋松弛率和高强度钢筋比较接近，而AFRP抗疲劳性能较高;

(6)CFRP筋的耐腐蚀性能要明显优于GFRP筋和AFRP筋。

由以上比较可知，CFRP筋的总体性能最好。虽然现阶段由于价格原因使其应用范围受到影响，但随着技术的革新，碳纤维复合材料必将得到更加广泛地应用。

3 碳纤维增强复合材料(CFRP)在桥梁工程中的应用

到目前为止，对于普通的土建工程，强度要求并不高，采用传统材料即可满足要求，如果运用价格昂贵的CFRP，并没有太大的实际意义。而在桥梁工程中，一方面人们不断挖掘传统材料的性能极限;另一方面，不断的寻找新型的高强度优质材料，代替传统材料，解决工程建设的瓶颈，而CFRP优良的性能逐渐被人们重视。

下面就在桥梁缆索和桥梁加固方面讨论CFRP的优势。

3.1 碳纤维拉索(CFCC)

一般来说，纤维增强复合材料(FRP)的弹性性能好，不存在屈服点。从受力至破坏都表现出线弹性的力学特性，在发生较大变形后能恢复原状，这一性能对于承受较大动荷载的结构比较有利。以拉索来说，鉴于GFRP、AFRP的弹性模量较低，且在长期荷载作用下抗拉强度会降低，以及其他一些不利特性(比如GFRP抗腐蚀性能较差，AFRP对紫外线敏感、易松弛等)，目前用其代替传统钢材用作斜拉桥拉索的优势不大。相反，CFRP拉索以其轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数低、成型工艺性好、施工简便等优点得到广泛应用[5]。

迄今为止，桥梁工程中使用的揽索还普遍由高强度钢制造，而新型的CFRP也逐步应用到桥梁工程中，下表列举了达目前为止，一些使用了碳纤维拉索的实例见表2。

表2 目前国内外已建的应用碳纤维拉索(CFCC)的斜拉桥[5]

而相对于传统钢索，CFCC的优势在于:

3.1.1 比强度和比模量远高于钢

表3 CFRP材料和一般钢材的比强度和比模量[12]

3.1.2 徐变小和松弛率低

CFCC具有徐变小，松弛率低的性能。试验表明，当将CFRP筋应力水平维持在其强度的60%左右时，1 000 h后的徐变几乎为零，应力松弛不到1%;德国DSI公司用于DYWICARB体系的 CFRP筋经试验得到，1 000 h后的松弛率0.8%，3 000 h后的徐变为0.01%。

3.1.3 良好的抗疲劳能力、抗腐蚀能力

桥梁的拉索，通常要受到风载和桥面上的动载荷作用，抗疲劳能力决定了桥梁长期的稳定行。纤维复合材料的抗疲劳能力，取决于其破坏形式，即从薄弱环节开始，逐渐扩展到结合面上，而这时纤维与基体的结合界面将阻止裂纹扩展，碳纤维在这方面的性能尤为突出。已有试验证明，19根单丝的CFCC在2×106次循环荷载未发生破坏，其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍[3]。

钢材一般不耐酸，尤其是含有氯离子的酸，即使含铝不锈钢在这种介质中，也会很快被腐蚀。但CRFP在含氯离子的酸性介质中能长期使用。耐碱碳纤维制成的复合材料，还能在强碱介质中使用。CRFP的无磁性能和良好的防腐性能，甚至使对结构采取的防锈蚀措施不再必需，进而使维修工作变得轻松[3]。

3.1.4 热膨胀系数小

现代斜拉桥多采用悬臂施工的方法，施工工程中由于温差(主要为日照温差)引起结构的内力和变形，给施工的连续性带来较大的影响;同时，在运营阶段，因温差所导致的内力和变形一样存在。用CFCC代替传统钢索可以基本消除拉索变形引起的内力和变形，因为CFCC的热膨胀系数很低，仅为钢拉索的1/12左右或更低[13]。

3.1.5 提高桥梁有效承载力和抗风雨振动性能

得益于CFRP较高的比强度和比模量，作为悬索桥主缆时，采用CFRP材料做超大跨径悬索桥主缆将大幅降低主缆应力中的主缆自重应力所占百分比，提高活载应力所占百分比，从而提高材料的利用率，结构的竖弯基频、横弯基频及扭转基频也随之大幅提高。作为斜拉桥拉索时，CFCC能降低工作时共振造成的早期破坏的可能性。此外，碳纤维和基体界面还有吸振能力强、振动阻尼大的特点。例如，用同尺寸梁作相同试验，轻金属合金梁历9s停止振动，而碳纤维树脂复合材料梁仅2.5s即停止振动。从而CFCC具有更好的抗风雨振动性能[4]、[5]。

此外，有学者计算表明要建造跨径超过5 000m的桥梁，缆索材料只能由CFRP来承担，对于斜拉桥，主梁也只能由CFRP来承担。这也表明对于未来桥梁的发展，CFRP的巨大潜力[6]。

3.2 碳纤维布

20世纪80年代末，基于粘钢加固法的思路，出现了纤维增强塑料(FRP)补强加固混凝土结构的方法，近几年在国内外逐渐被推广应用开来，已完全产业化。碳纤维布加固技术适用于各种结构类型、各种结构部位的加固修补。碳纤维布加固技术是纤维增强塑料应用技术中一种使用较普遍、性能较好的结构外部加固新技术[7]、[8]。

碳纤维布加固是指在结构表面粘贴含碳纤维的材料，让混凝土牢固地与加固材料粘结在一起之后共同承受载荷，达到加固结构、提高结构承载能力、修补结构缺陷及损伤的效果。适用于混凝土构件，钢结构，木结构。碳纤维布加固不需要任何横板夹具和支撑，广泛的运用在钢筋混凝土结构的加固中。

碳纤维布的特点在于:

(1)碳纤维布比强度高，与钢筋混凝土粘结后能够大幅度提升构件的承载力，增强局部的抗拉性、抗剪强度，补强物在几乎不额外增加原始结构自重的情况下达到加固结构的目的，而且化学性能稳定，能抵抗酸、碱、盐类的腐蚀，防水性能优良;

(2)碳纤维布为柔性卷材，可弯曲叠合成各种形状，因而可以加固不规则或形状复杂的结构;

(3)碳纤维布能有效地封闭混凝土裂缝。混凝土产生裂缝后会加速对内部钢筋的腐蚀，采用碳纤维布粘贴修补在能控制裂纹发展的同时提高了混凝土整体的刚度;

(4)与传统其他的加固方法相比，碳纤维布的加固不会造成加固损伤。即使在新旧结合处加固效果也没有明显的减弱;

(5)施工过程更简便。碳纤维材料轻且柔软，施工时不需要特定的大型机械。施工过程耗时短效率高而且施工质量更易得到保证;

(6)碳纤维布加固比传统加固法更经济。从表面上来看，碳纤维材料的价格与其他相比偏高。但是碳纤维布加固的施工简便，无需专用设备和大量人力，为施工方节省部分开支。其次，碳纤维性能稳定，能抵抗酸碱盐腐蚀从而大大的降低了建成之后的维护费用。