碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用.pdf

龙源期刊网碳纤维复合材料在桥梁工程中的应用作者：费有静裴小兵来源：《新材料产业》2017年第12期一、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碳纤维材料具有显著的各向异性，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龙源期刊网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