碳纖維復(fù)合新材料在橋梁施工中的應(yīng)用

1、    碳纖維復(fù)合新材料在橋梁施工中的應(yīng)用    朱啟合吳紀(jì)才【摘 要】碳纖維是一種具有良好力學(xué)性能的新材料，在當(dāng)前的很多新型結(jié)構(gòu)材料的制作中有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合新材料具有強(qiáng)度大、耐熱性良好、抗沖擊性強(qiáng)、變形量小、節(jié)能環(huán)保、自重較輕以及良好的抗腐蝕性，是很多對強(qiáng)度等級要求較高的建設(shè)工程最常用到的建設(shè)材料?，F(xiàn)本文就來探討在橋梁的建設(shè)施工中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用問題。文章首先分析了碳纖維復(fù)合材料的基本性能，繼而指出了其在橋梁結(jié)構(gòu)施工和橋梁加固施工中的應(yīng)用，并就碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展前景作出了展望?！娟P(guān)鍵詞】碳纖維；復(fù)合材料；橋梁施工；加固工程隨著我國橋梁

2、道路工程建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁工程施工技術(shù)也得到了很大的提高。同時在科技的推動下，建設(shè)施工的新型材料也在不斷研發(fā)應(yīng)用，這些都是我國橋梁道路施工水平提高的體現(xiàn)。其中碳纖維復(fù)合材料就是其中一個具有很大優(yōu)越性的現(xiàn)代新型橋梁施工材料，在當(dāng)前的橋梁道路施工中有著極為廣泛的應(yīng)用。尤其是近年來，社會的發(fā)展使得車輛對橋梁的通行能力提出更高的要求，并對橋梁的荷載能力、抗壓能力、耐腐蝕能力等基本性能也提出了更高的要求。為了滿足這一需求，新型施工工藝和施工材料的應(yīng)用就顯得非常有必要。本文中主要探討了碳纖維復(fù)合材料這種新型材料的應(yīng)用工藝和發(fā)展前景，指出了在新時代的發(fā)展下，利用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行橋梁施工是未來橋梁建設(shè)施工

3、中的一個主要發(fā)展方向。1.碳纖維復(fù)合材料的基本性能碳纖維復(fù)合材料是一種具有高強(qiáng)度和高彈性模量的新型復(fù)合材料，其基本構(gòu)成是由基體材料與增強(qiáng)材料相互結(jié)合而形成的，與其具有同種特點的復(fù)合材料還有玻璃纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料。這三種復(fù)合材料都是通過物理組合而實現(xiàn)材料性能的提升，比普通的材料要具備更大的優(yōu)越性。而其中碳纖維復(fù)合材料是其中物理力學(xué)性能最好的一種復(fù)合型材料，因為在很多建設(shè)施工中都有著廣泛的應(yīng)用。其主要的應(yīng)用方法是以替代鋼筋作為結(jié)構(gòu)材料的形式，目前在橋梁的張拉施工以及加固施工中也都是較為常用的施工材料。那么碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性能有哪些呢？現(xiàn)筆者將其優(yōu)越性總結(jié)為下述幾點：1.1碳纖維復(fù)合

4、材料具有比鋼材高出十幾倍的抗拉強(qiáng)度和相當(dāng)鋼材12倍的強(qiáng)行模量。1.2碳纖維復(fù)合材料減震性能好，其自振頻率很高，可避免早期共振，同時內(nèi)阻也很大，一旦激震起來，衰減也快。1.3碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蝕性能好，與生物有很好的相容性。除了強(qiáng)氧化劑外，一般如濃鹽酸、30%的硫酸、堿等對其均不起作用。1.4碳纖維復(fù)合材料材料是柔軟的，樹脂是可以流動的，其產(chǎn)品的形狀幾乎不受限制，還可以任意著色，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)形狀和材料美學(xué)的高度統(tǒng)一。1.5碳纖維復(fù)合材料材料施工便捷，在結(jié)構(gòu)加固中，碳纖維布易成型，能夠粘貼在曲面或不規(guī)則的結(jié)構(gòu)表面上，考慮到其方向性，設(shè)計者可以進(jìn)行裁減，使其在特定方向上

5、達(dá)到預(yù)期的設(shè)計強(qiáng)度。2.在橋梁結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料在被研發(fā)成功后，是經(jīng)過了一段時間方才被使用到橋梁的建設(shè)施工中的。直到上世紀(jì)的80年代，碳纖維復(fù)合材料才被應(yīng)用在橋梁工程的設(shè)計施工中，并在后來的橋梁建設(shè)中迅速得到廣泛應(yīng)用，這是由其優(yōu)良的特性來決定的。目前，在橋梁工程，尤其是在大跨度的橋梁工程中，碳纖維復(fù)合材料是最具有物理性能優(yōu)勢的建筑材料，在國內(nèi)外的橋梁施工中都有應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料作為預(yù)應(yīng)力筋的案例。日本是第一個在混凝土橋梁中采用碳纖維復(fù)合材料絞線作為橋梁預(yù)應(yīng)力筋的國家。從1988年1992年，日本應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料材料作為預(yù)應(yīng)力筋修建了一系列橋梁，為探求采用碳纖維復(fù)合材料力筋的預(yù)應(yīng)力

6、混凝土構(gòu)件的承載力和耐久性，做了靜載和疲勞試驗。3.在橋梁加固中的應(yīng)用為恢復(fù)和提高既有橋梁的承載能力，采用在橋梁結(jié)構(gòu)受拉側(cè)用環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維復(fù)合材料材料的加固方法，具有施工簡便、加固費用低（代替鋼板加固可節(jié)約資金25%）、不減少橋下凈空、加固材料帶來恒載增加不多等優(yōu)點，并且加固施工能在不影響或少影響結(jié)構(gòu)使用的情況下進(jìn)行，同時可克服粘貼鋼板受運輸?shù)南拗?、鋼板銹蝕引起鋼板與混凝土梁之間粘貼層損壞之不足。在日本，碳纖維復(fù)合材料被廣泛用于公路橋梁、鐵路橋梁、隧道、碼頭、房屋建筑等結(jié)構(gòu)物的加固，特別是在大地震維修工程及震后橋梁修復(fù)工程中都大量采用了碳纖維加固技術(shù)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國是在199

7、7年以后正式開始對碳纖維復(fù)合材料加固修復(fù)上木建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的，并在1998年以后開始了實際應(yīng)用。如在某橋梁的加固工程中需重加固修復(fù)出現(xiàn)裂紋的t梁。在加固舊t梁工程中，共加固20m長的t梁130片，實際粘貼碳纖維240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修復(fù)方法都無法在這么短的時間內(nèi)完成的。t梁加固完成后，橋面開始施工，t梁受力，半年后觀察加固節(jié)點，碳纖維布與t梁表面粘貼完好，無空鼓，無裂紋，取得了較滿意的效果。4.碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展前景碳纖維復(fù)合材料材料用于橋梁工程中也是國際土木工程界的一個熱點，由于其優(yōu)異的材料及使用性能，其應(yīng)用范圍與應(yīng)用量正以驚人的速度在增長。碳纖維復(fù)合材料在我國

8、處于科研及實用初級階段，大規(guī)模使用還存在許多問題，如價格太高、強(qiáng)度不高、缺少設(shè)計規(guī)范及施工規(guī)程還很不完善等，為充分發(fā)展碳纖維復(fù)合材料在我國橋梁工程中的作用，應(yīng)做好以下幾個方面的工作：4.1加快國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料大過摸生產(chǎn)的步伐并降低造價，提高國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化。我國目前應(yīng)用的粘貼樹脂已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，而碳纖維復(fù)合材料材料卻依賴進(jìn)口。擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是降低成本的有效途徑之一。國外一條碳纖維生產(chǎn)線的年生產(chǎn)能力均在200t以上，而我國至今還沒有一條百噸級碳纖維生產(chǎn)線。4.2盡快制定便于材料品質(zhì)管理及品質(zhì)保證的標(biāo)準(zhǔn)化試驗方法，并盡快制定完善的設(shè)計與施工規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)化工作是一項新技術(shù)

9、，是新材料得以健康、快速發(fā)展的基礎(chǔ)，它不僅僅是指碳纖維復(fù)合材料材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而是包括材料生產(chǎn)、使用、檢驗、加固設(shè)計、計算、工程施工與驗收等一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。否則，該項技術(shù)會有在商業(yè)利益驅(qū)動下遭夭折的危險。在這個問題上，今后幾年內(nèi)，國內(nèi)將有更多的學(xué)校及研究單位加入到碳纖維復(fù)合材料材料研究開發(fā)中來，從而使我國在該項技術(shù)領(lǐng)域得到更快速的發(fā)展。4.3加強(qiáng)與國際間的學(xué)術(shù)交流和技術(shù)合作。盡量避免在研究上的低水平生產(chǎn)與應(yīng)用上的重復(fù)研究，共同促進(jìn)該項技術(shù)的應(yīng)用研究及發(fā)展，成立行業(yè)性或?qū)W術(shù)性組織。只有這樣，才能促進(jìn)該項技術(shù)的健康、快速發(fā)展。5.結(jié)語總之，在當(dāng)代新型橋梁工程的施工中，采用碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)施工的重要材料是我國橋梁建設(shè)水平的一大提升，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用極大的提高了橋梁的強(qiáng)度、抗拉能力和抗腐蝕性能力，縮短了橋梁施工的時間，簡化