纤维增强复合材料在桥梁工程应用

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摘要：复合材料是由两种或两种以上的材料经过混合作用形成的新材料，由连续相的基体和分散相的增强体组成。纤维作为应用最广泛的增强体，近几年被应用于无机非金属基体当中并且取得了长足的发展。我国桥梁工程的技术创新得益于新型纤维无机非金属复合材料的应用。该文总结归纳了讨论最多的几种桥梁工程中新型纤维无机非金属复合材料的工程应用特点和材料特性，希望能够对纤维无机非金属复合材料在桥梁工程中应用起到助益。

关键词：桥梁工程；纤维增强；无机非金属基体；复合材料；工程应用

随着经济的发展和科学技术的进步，桥梁工程建设特点已经朝着跨度大、强度高、功能多、自重轻、外观美、环境和谐等趋势发展[1]。传统的混凝土、钢材、砌体等材料已经不能满足现在桥梁建设的需求。并且伴随着交通运输业的发展，巨大的交通流量、更极限的使用条件也要求桥梁工程中应用高性能的建设材料。在此背景下，复合材料成为除水泥混凝土、钢材、砌体材料之外的第四大类桥梁建设材料[2]。复合材料以其耐腐蚀、抗疲劳、重量轻、强度高、可设计性强以及不同的材料复合后还可以应用于特殊环境等一系列的优势备受桥梁工程的青睐，被广泛用于桥梁工程当中[3]。

1纤维增强复合材料的增强机理

纤维增强复合材料是采用纤维材料增强体，无机非金属材料基体通过一定的混合工艺组成的异质新型复合材料[4]。纤维增强无机非金属复合材料在保留增强体和基体原有的材料性质的基础上通过材料的复合效应获得更优良的原材料不具备的材料性能。纤维增强体的强度高、模量高且与无机非金属基体之间因为相似相容从而具有良好的界面相容性，二者具有相匹配的膨胀系数、泊松比。外界荷载通过界面将外力荷载有效地传递到作为增强体的纤维上，由于纤维与基体间有良好的界面结合强度，能够保证基体所承受的载荷能通过界面传递给纤维，由于作为增强体的纤维模量远高于无机非金属基体的模量，模量的不同使两种材料产生了不同形变（位移），在基体上产生了剪切应变，纤维受力断裂后被从基体中拔出，需克服基体对纤维的粘接力，从而使纤维无机非金属基体复合材料的强度提高[5]。并且作为增强体的纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。纤维的表面受到无机非金属基体的保护，纤维无机非金属复合材料在承受荷载时产生微裂纹，微裂纹的产生将在其周围产生压应力场，利用其所形成的压应力场，反过来阻止裂纹继续扩展。因此，纤维增强无机非金属复合材料不易在承载中产生裂纹，并且能够增大承载力。

2纤维增强复合材料的应用特性

(1)强度高，自重轻。桥梁工程中复合材料多采用纤维增强基体材料，在获得更大强度的同时减少水泥混凝土基体中水泥、骨料的用量[6]。纤维增强复合材料本身密度小，材料轻，并且由于纤维本身的材料特性，具有卓越的抗弯、抗拉、抗压、抗折等力学性能，应用于桥梁新建或加固工程中更加安全经济。(2)耐腐蚀。纤维增强复合材料中的纤维的桥接作用可以使混凝土基体裂缝不开展，并且徐变不发展，裂缝绵密、不向梁体内部竖向发展[7]，且纤维增强后的混凝土材料抗碳化。因此纤维复合材料桥梁不易受到氯离子侵蚀，耐腐蚀，混凝土性能稳定。(3)更有设计性。纤维增强复合材料强度高，用于建造桥梁可以满足设计强度要求的条件下采用更小的梁体截面，更薄的桥面板从而可以达到桥梁布设形式更加灵活的目的。

3纤维增强复合材料在桥梁工程的应用

3.1碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料(CFRP)用于桥梁加固工程时，对于配筋率低的桥梁加固效果尤其良好，能够显著提高被加固梁的抗剪强度、抗弯强度，限制梁体裂缝发展[8]。CFRP用于加桥梁加固工程时如未进行锚定会引起剥离破坏，若采用多层CFRP作用于加固区域同时选用适当的锚固长度则可以有效避免CFRP的剥离破坏。CFRP直接黏贴用于桥梁加固时，也存在一定的缺陷，需在裂缝开展、应变发展较大时才能够形成高强抗裂作用，且不能修复原始损伤。所以对CFRP进行预张拉能够有效改善正常使用状态下的梁受荷状态，有效提高混凝土梁的承载力，减小梁的挠度和裂缝宽度；在锚固充足的情况下,对CFRP施加预应力，可以使CFRP的强度得到充分发挥[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）、纤维（主要为钢纤维、聚丙烯纤维等）、细骨料组成进行加热蒸汽养护成型的混凝土材料[10]。一般用于桥梁墩柱建造。UHPC的特点是不含粗骨料、低水灰比、加入活性材料硅灰，不同粒径的细骨料根据最大密实度原则堆积，形成了材料内部密实度大、早期裂缝迅速密集开展但裂缝开裂程度低的状态,保证了UHPC具有优异的力学性能、耐久性能、耐腐蚀性能、抗碳化性能和抗氯离子侵蚀性能。UHPC能够抗碳化、耐腐蚀、耐氯离子侵蚀主要是由于UHPC产生的开裂是密集的微小的裂缝，降低了裂缝的总宽度，从而降低了氯离子等有害物质的渗透性[11]。在工程实践当中，通常会在UHPC当中掺加波纹型钢纤维或聚丙烯纤维，从而使UHPC更具韧性和延性、抗拉强度更高、弹性模量更大，这主要是由于钢纤维在混凝土内部起桥接作用。

3.3乱向分布纤维增强水泥基复合材料

乱向分布纤维增强工程水泥基复合材料(ECC)是一种从微观力学和断裂力学的角度出发，通过添加纤维增强体对水泥基体界面进行增强设计的复合材料[12]。ECC具有高抗裂性能、高韧性、高抗弯曲变形能力，主要用于桥梁梁体的建造。ECC材料通过内部纤维的桥接作用，在受拉时纤维可以将应力均匀地传递到未受力未开裂区域，因此裂缝开展缓慢，裂缝绵密且不向梁体内部纵向发展。ECC材料具有优良的延性、韧性、强度、抗裂缝发展以及抗弯曲变形的能力。ECC材料建造的桥梁可以较少配筋，桥面板减薄，减轻自重。尤其在地震作用下的延性破坏特征，使ECC材料梁体最大限度地不产生破坏，保证梁体完整[13]，适宜用于地震带地区桥梁修建。

3.4高韧性磷酸镁水泥复合材料

高韧性磷酸镁水泥(简称MPC)是一种兼具水泥材料特点和陶瓷材料特点的新型无机胶凝材料[14]。MPC的组成成分有氧化镁、磷酸盐和外掺剂（缓凝剂），具有凝结硬化快、早期强度高、耐磨、耐火、耐腐蚀性、抗冻融性好、无毒、无污染等优点。由于MPC具有一定陶瓷特性，所以在工程实践当中需要加入纤维改善MPC的高脆性缺点。常用于改善MPC脆性的纤维有钢纤维、聚丙烯纤维，纤维掺入MPC后通过纤维的桥接作用极大地增加了MPC的韧性以及抗折强度、延性、弯曲性能以及抗压和耐磨性能。MPC一般用于桥梁加固工程与CFRP配合使用改善CFRP加固施工的剥离病害[15]。这主要是由于MPC能够在CFRP筋材四周形成一层致密的保护膜，起到防水、防腐蚀的作用，为CFRP加固桥梁提供强大的粘结力，增加CFRP加固工程的耐久性，缩短施工时间增加加固后桥梁的服役年限。

4结语

桥梁工程作为跨越障碍的主要结构形式，其发展与社会、经济、文化、科学技术密不可分。从桥梁服役环境和应用场景的角度来看，我国的桥梁服役环境的特点是海洋环境、艰险山区环境，极端气候环境多，交通特点是载重荷载大、交通流速度高、交通流量大。这就要求桥梁建造和养护的材料与技术必须满足极端环境的使用需求，大量的高强度、高性能复合材料在桥梁工程中的应用推动了桥梁设计、桥梁施工、桥梁加固的新技术的发展。

作者:张锦泽 赵天琪 白泱 鲍庆伟 程雪 单位:中建交通建设集团有限公司