碳纤维复合新材料在桥梁施工中的应用

【摘 要】碳纤维是一种具有良好力学性能的新材料，在当前的很多新型结构材料的制作中有着广泛的应用。碳纤维复合新材料具有强度大、耐热性良好、抗冲击性强、变形量小、节能环保、自重较轻以及良好的抗腐蚀性，是很多对强度等级要求较高的建设工程最常用到的建设材料。现本文就来探讨在桥梁的建设施工中，碳纤维复合材料的应用问题。文章首先分析了碳纤维复合材料的基本性能，继而指出了其在桥梁结构施工和桥梁加固施工中的应用，并就碳纤维复合材料的发展前景作出了展望。

【关键词】碳纤维；复合材料；桥梁施工；加固工程

随着我国桥梁道路工程建设的不断发展，桥梁工程施工技术也得到了很大的提高。同时在科技的推动下，建设施工的新型材料也在不断研发应用，这些都是我国桥梁道路施工水平提高的体现。其中碳纤维复合材料就是其中一个具有很大优越性的现代新型桥梁施工材料，在当前的桥梁道路施工中有着极为广泛的应用。尤其是近年来，社会的发展使得车辆对桥梁的通行能力提出更高的要求，并对桥梁的荷载能力、抗压能力、耐腐蚀能力等基本性能也提出了更高的要求。为了满足这一需求，新型施工工艺和施工材料的应用就显得非常有必要。本文中主要探讨了碳纤维复合材料这种新型材料的应用工艺和发展前景，指出了在新时代的发展下，利用碳纤维复合材料进行桥梁施工是未来桥梁建设施工中的一个主要发展方向。

1.碳纤维复合材料的基本性能

碳纤维复合材料是一种具有高强度和高弹性模量的新型复合材料，其基本构成是由基体材料与增强材料相互结合而形成的，与其具有同种特点的复合材料还有玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。这三种复合材料都是通过物理组合而实现材料性能的提升，比普通的材料要具备更大的优越性。而其中碳纤维复合材料是其中物理力学性能最好的一种复合型材料，因为在很多建设施工中都有着广泛的应用。其主要的应用方法是以替代钢筋作为结构材料的形式，目前在桥梁的张拉施工以及加固施工中也都是较为常用的施工材料。那么碳纤维复合材料的优越性能有哪些呢？现笔者将其优越性总结为下述几点：

1.1碳纤维复合材料具有比钢材高出十几倍的抗拉强度和相当钢材1～2倍的强行模量。

1.2碳纤维复合材料减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也快。

1.3碳纤维复合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蚀性能好，与生物有很好的相容性。除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30%的硫酸、碱等对其均不起作用。

1.4碳纤维复合材料材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形状和材料美学的高度统一。

1.5碳纤维复合材料材料施工便捷，在结构加固中，碳纤维布易成型，能够粘贴在曲面或不规则的结构表面上，考虑到其方向性，设计者可以进行裁减，使其在特定方向上达到预期的设计强度。

2.在桥梁结构施工中的应用

碳纤维复合材料在被研发成功后，是经过了一段时间方才被使用到桥梁的建设施工中的。直到上世纪的80年代，碳纤维复合材料才被应用在桥梁工程的设计施工中，并在后来的桥梁建设中迅速得到广泛应用，这是由其优良的特性来决定的。目前，在桥梁工程，尤其是在大跨度的桥梁工程中，碳纤维复合材料是最具有物理性能优势的建筑材料，在国内外的桥梁施工中都有应用碳纤维复合材料作为预应力筋的案例。

日本是第一个在混凝土桥梁中采用碳纤维复合材料绞线作为桥梁预应力筋的国家。从1988年～1992年，日本应用碳纤维复合材料材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，为探求采用碳纤维复合材料力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载和疲劳试验。

3.在桥梁加固中的应用

为恢复和提高既有桥梁的承载能力，采用在桥梁结构受拉侧用环氧树脂粘贴碳纤维复合材料材料的加固方法，具有施工简便、加固费用低（代替钢板加固可节约资金25%）、不减少桥下净空、加固材料带来恒载增加不多等优点，并且加固施工能在不影响或少影响结构使用的情况下进行，同时可克服粘贴钢板受运输的限制、钢板锈蚀引起钢板与混凝土梁之间粘贴层损坏之不足。

在日本，碳纤维复合材料被广泛用于公路桥梁、铁路桥梁、隧道、码头、房屋建筑等结构物的加固，特别是在大地震维修工程及震后桥梁修复工程中都大量采用了碳纤维加固技术，并取得了显著的经济效益。

我国是在1997年以后正式开始对碳纤维复合材料加固修复上木建筑结构进行研究的，并在1998年以后开始了实际应用。如在某桥梁的加固工程中需重加固修复出现裂纹的T梁。在加固旧T梁工程中，共加固20m长的T梁130片，实际粘贴碳纤维240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修复方法都无法在这么短的时间内完成的。T梁加固完成后，桥面开始施工，T梁受力，半年后观察加固节点，碳纤维布与T梁表面粘贴完好，无空鼓，无裂纹，取得了较满意的效果。

4.碳纤维复合材料的发展前景

碳纤维复合材料材料用于桥梁工程中也是国际土木工程界的一个热点，由于其优异的材料及使用性能，其应用范围与应用量正以惊人的速度在增长。碳纤维复合材料在我国处于科研及实用初级阶段，大规模使用还存在许多问题，如价格太高、强度不高、缺少设计规范及施工规程还很不完善等，为充分发展碳纤维复合材料在我国桥梁工程中的作用，应做好以下几个方面的工作：

4.1加快国产碳纤维复合材料大过摸生产的步伐并降低造价，提高国产碳纤维复合材料质量的稳定性，实现产品国产化。我国目前应用的粘贴树脂已实现了国产化，而碳纤维复合材料材料却依赖进口。扩大生产规模是降低成本的有效途径之一。国外一条碳纤维生产线的年生产能力均在200t以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。

4.2尽快制定便于材料品质管理及品质保证的标准化试验方法，并尽快制定完善的设计与施工规范。标准化工作是一项新技术，是新材料得以健康、快速发展的基础，它不仅仅是指碳纤维复合材料材料的技术标准，而是包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收等一系列标准化工作。否则，该项技术会有在商业利益驱动下遭夭折的危险。在这个问题上，今后几年内，国内将有更多的学校及研究单位加入到碳纤维复合材料材料研究开发中来，从而使我国在该项技术领域得到更快速的发展。

4.3加强与国际间的学术交流和技术合作。尽量避免在研究上的低水平生产与应用上的重复研究，共同促进该项技术的应用研究及发展，成立行业性或学术性组织。只有这样，才能促进该项技术的健康、快速发展。

5.结语

总之，在当代新型桥梁工程的施工中，采用碳纤维复合材料作为结构施工的重要材料是我国桥梁建设水平的一大提升，碳纤维复合材料的应用极大的提高了桥梁的强度、抗拉能力和抗腐蚀性能力，缩短了桥梁施工的时间，简化了施工技术工艺，提高了施工效率，因而碳纤维复合材料是一个值得大力推广应用的新型桥梁工程建设材料。

【参考文献】

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[2]向雅娟，宋世樟.新型复合材料桥梁及其最新研究成果[J].桥梁建设，1994，（02）.