1 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料簡(jiǎn)介

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料通過(guò)將具有優(yōu)異性能的添加材料融入到基礎(chǔ)材料中，各取所長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)兩者的性能融合。截至目前，能作為添加輔助材料的有碳纖維、玻璃纖維及芳綸等。其中，玻璃纖維由于價(jià)格低廉、力學(xué)強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特性，具有優(yōu)良的性價(jià)比，成為建筑材料的首選。而碳纖維具有力學(xué)強(qiáng)度高、彈性模量大、熱穩(wěn)定性好以及耐熱性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于橋梁、道路等工程建設(shè)中。

碳纖維復(fù)合材料主要是將大量規(guī)則排布或者不規(guī)則分布的連續(xù)纖維，通過(guò)使用特定材料與特殊的水泥黏結(jié)劑固定在一起而制成的。根據(jù)所添加增強(qiáng)體性能的不同，可針對(duì)性地完善基體本身的缺陷。所制備的纖維復(fù)合材料的性能受多方面影響，包括所添加纖維的比例、添加纖維本身的特性以及成型以后的物體形狀與表面積等，例如使用碳纖維材料可以提升原材料的耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、絕緣性等，而使用玻璃纖維則可以提升原材料的強(qiáng)度與韌性等性能。

除擁有上述優(yōu)異性能以外，針對(duì)碳纖維復(fù)合材料其他性能的優(yōu)化與開(kāi)發(fā)也在不斷地進(jìn)行，使其性能變得越來(lái)越完善。因此，碳纖維復(fù)合材料成為了橋梁建筑材料上的優(yōu)選目標(biāo)。與此同時(shí)，玻璃纖維復(fù)合材料雖然在性能方面無(wú)法與碳纖維復(fù)合材料相匹敵，但其也具備特定的優(yōu)點(diǎn)。其中，最主要的優(yōu)點(diǎn)就是原料易得且價(jià)格便宜。玻璃纖維復(fù)合材料的綜合性能雖然不是很完善，但在應(yīng)用中可以針對(duì)不同地區(qū)的氣候與環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行某一方面的優(yōu)化改善，以此來(lái)適應(yīng)特定橋梁工程的需求，這就使得玻璃纖維復(fù)合材料也成為了優(yōu)選目標(biāo)。

近十幾年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料處于高速發(fā)展中。這主要是因?yàn)樵紭蛄航ㄖ牧显诹W(xué)性能方面的弊端暴露得越來(lái)越多，導(dǎo)致針對(duì)于纖維復(fù)合材料力學(xué)性能方向的研究越來(lái)越頻繁，且目前研究結(jié)果已取得了突破性進(jìn)展，這使得生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)速度有了極大提升，同時(shí)生產(chǎn)成本也得到大幅降低。尤其是在最近幾年的發(fā)展中，碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料在比強(qiáng)度與延伸率方面不斷提升，其比強(qiáng)度可以達(dá)到 2 000 (N·m)/g 以上，延伸率從最初的0.9%逐步提升至 2.1%，最高的時(shí)候可以達(dá)到 2.5%左右。經(jīng)過(guò)優(yōu)化以后，碳纖維材料已經(jīng)可以用于主承力結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外的橋梁工程中已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮不可替代的作用。我國(guó)早在1982 年就開(kāi)始使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，北京引入了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于建設(shè)一座公路橋。幾年后，我國(guó)重慶市也成功地引入了玻璃纖維復(fù)合材料來(lái)建造人行斜拉橋。

1992 年，英國(guó)與美國(guó)也開(kāi)始廣泛地使用玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁的建設(shè)。1997年，丹麥第一個(gè)使用了全復(fù)合材料構(gòu)件鐵道橋，從此各國(guó)開(kāi)始了全復(fù)合材料的研究。2009 年，荷蘭的帝斯曼公司展示了全復(fù)合材料人行橋，橋身比同等規(guī)格的混凝土橋梁輕，但承受的質(zhì)量卻可以達(dá)到30 t。2015年，美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)將金屬材料與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)合，成功地設(shè)計(jì)出了新型的橋梁材料。綜上所述，世界各國(guó)在橋梁工程材料研究的方向上基本相同。雖然世界各國(guó)對(duì)于纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，且已經(jīng)小有成就，但目前來(lái)看，各國(guó)僅僅將其使用在小范圍的橋梁上，想要大規(guī)模普及纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料仍然有很大困難。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法隨著時(shí)間的推移開(kāi)始產(chǎn)生新的問(wèn)題。傳統(tǒng)修補(bǔ)方法所使用的鋼板不僅存在易腐蝕、易脫落的弊端，而且由于鋼板本身質(zhì)量的原因，安裝也十分困難。因此急需一種質(zhì)量輕盈、強(qiáng)度高、施工方便的纖維復(fù)合材料，對(duì)橋梁建設(shè)進(jìn)行根本性的改革。

3 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料橋梁

3.1 需要快速建造/拆除的公路橋

隨著車(chē)輛使用越來(lái)越頻繁，為了保證出行便捷，公路橋等交通設(shè)施也必須進(jìn)行不斷地完善與更新。但目前所修建的部分公路橋由于使用期限較長(zhǎng)、氣候變化頻繁等原因已出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，必須進(jìn)行修補(bǔ)、加固或拆除。傳統(tǒng)鋼筋混凝土質(zhì)量大，搭建十分困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響建設(shè)效率。而纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料質(zhì)量輕，搭建方便，僅僅幾個(gè)小時(shí)就可以搭建完畢，極大地提高了施工效率。唐浩俊等研究了纖維增強(qiáng)材料在德國(guó)弗里德伯格公路橋上的應(yīng)用，從工程背景出發(fā)，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、施工以及驗(yàn)收等進(jìn)行了詳細(xì)研究，目前該橋梁已建成通車(chē)，并具有耐久性良好以及可快速裝配等特點(diǎn)。陳向前等對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，列舉了使用該材料作為受力構(gòu)件的世界橋梁實(shí)例，例如美國(guó)圣帕特里西奧Texas FM3284橋梁、美國(guó)威斯康星布萊克橋梁和某桁架式軍用橋梁，以及美國(guó)維吉尼亞 40 號(hào)公路橋墩和 I-5PGilman斜拉橋等。通過(guò)實(shí)踐，證明纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料組合成的梁、板、柱構(gòu)件有足夠的受力性能，能大幅度減少鋼材使用。

3.2 兼顧安全、美學(xué)與環(huán)境的觀賞橋

生活質(zhì)量的提高，促使人們的觀念從追求物質(zhì)享受轉(zhuǎn)變?yōu)榫裣硎埽^賞橋的建設(shè)方興未艾。對(duì)于觀賞橋而言，不僅要保證橋梁的使用壽命與安全性，而且應(yīng)保證外觀設(shè)計(jì)、藝術(shù)造型的美學(xué)要求，同時(shí)還要兼顧人文與景色的完美結(jié)合。纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料與其他材料相比，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，如力學(xué)性能優(yōu)異、材料樣式多、密度小、安裝方便等特性，因此使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料制備的觀賞橋能很好地滿足以上需求。

3.3 大承載量的梁式橋

在以前的橋梁建設(shè)中，人們總會(huì)優(yōu)先想到鋼筋混凝土。鋼筋混凝土材料在力學(xué)性能上有明顯的優(yōu)勢(shì)與短板，優(yōu)勢(shì)在于可以承受住高強(qiáng)度的壓縮，短板在于無(wú)法承受住極限的拉伸，然而纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料可以很好地兼容這兩點(diǎn)。因此，在目前的修補(bǔ)手段上，有很多案例使用了纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料來(lái)抵抗高強(qiáng)度的拉伸作用。

當(dāng)前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更多的應(yīng)用于加固，而在直接構(gòu)件中很少使用。而且世界上直接使用纖維復(fù)合材料建造的橋梁僅僅是人行橋或者是載重等級(jí)較低的橋梁，同時(shí)在數(shù)量上也是非常少的。將纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用于負(fù)荷量較大的梁式橋更是少之又少，目前全世界僅有兩座。其中一座位于我國(guó)的首都北京，在 1982 年建造而成，是世界上第一座使用玻璃纖維復(fù)合材料構(gòu)建而成的梁式橋。這座玻璃鋼公路橋長(zhǎng)度 21 m，寬度10 m，橋梁本身質(zhì)量大約 30 t，相比于同等級(jí)的鋼筋混凝土構(gòu)建的橋，它自重更輕，設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)15 t，驗(yàn)算荷載為掛車(chē) 80 t。另一座則位于保加利亞，其長(zhǎng)度與寬度均比我國(guó)的橋梁小，而且荷載量也僅有汽車(chē) 8 t。以此來(lái)看，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在大承載量橋的應(yīng)用研究仍然不夠先進(jìn)，還需要進(jìn)行深入挖掘。

3.4 超大跨度懸索橋

由于普通橋梁的建造技術(shù)已趨于成熟，目前全世界都開(kāi)始向著新領(lǐng)域進(jìn)行拓展，建造超大跨度懸索橋逐漸成為設(shè)計(jì)者與建設(shè)者的研究領(lǐng)域。但這種超大跨度橋梁在建造中必須使用纜索材料，且橋梁纜索材料的使用量將隨著跨度的增大呈指數(shù)增加。對(duì)于如此大量的纜索材料，如繼續(xù)使用傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)，考慮其本身質(zhì)量就很大，將會(huì)導(dǎo)致橋梁在載重上的使用率非常低。同時(shí)，橋梁建設(shè)地點(diǎn)大多為沿海地區(qū)，這對(duì)使用材質(zhì)的耐腐蝕性與耐疲勞性也提出了很大的挑戰(zhàn)。相比于傳統(tǒng)材料，纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料密度更小，自重更輕，同時(shí)也具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。梅葵花等的研究表明，相同數(shù)量的纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá) 20 萬(wàn)次循環(huán)使用后，仍能保持著完美的原始架構(gòu)與性能，這證明其在抗疲勞性能方面極大地優(yōu)于傳統(tǒng)材料。在超大跨度懸索橋建造中，該研究為采用纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料作為纜索構(gòu)件的可行性提供了很好的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。

4 在橋梁建設(shè)中的問(wèn)題及解決思路

從上述材料特性與應(yīng)用情況來(lái)看，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有很多傳統(tǒng)材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是其作為橋梁建造材料仍存在一些缺點(diǎn)，需要研究者繼續(xù)開(kāi)展研究與解決。

(1) 安裝固定上的問(wèn)題。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在縱向上具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能與拉伸率，但在橫向上的性能則不夠完善，這就使得在使用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行橋梁錨固時(shí)無(wú)法完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前已有學(xué)者就此問(wèn)題開(kāi)展研究，如提出使用環(huán)氧樹(shù)脂與陶瓷材料組合的方案，可以很好地避免應(yīng)力損失，保證達(dá)到材料的使用要求。

(2) 海風(fēng)等氣候影響問(wèn)題。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料本身質(zhì)量較輕，是一大優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)遇到海風(fēng)或者陸地大風(fēng)時(shí)，橋梁主體的縱向剛度還不足以抵御強(qiáng)風(fēng)。

(3) 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的抗剪和抗折性能較差，當(dāng)被用作主纜材料時(shí)，其所處位置的抗滑與抗折研究也是不可或缺的。

(4) 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有很好的耐腐蝕性，導(dǎo)致其一旦成為建筑垃圾以后，后續(xù)的回收處理也將非常困難，如無(wú)法被快速降解、易污染環(huán)境等。因此，如何發(fā)展可持續(xù)循環(huán)使用的復(fù)合材料或者開(kāi)發(fā)出可降解纖維復(fù)合材料，將是未來(lái)研究的重要方向。

[1]朱振業(yè).橋梁工程用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)展[J].合成纖維,2023,52(11):79-82.DOI:10.16090/j.cnki.hcxw.2023.11.009.