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一、碳纖維性能概述

人們最初用天然木材、石材建造橋梁，后慢慢發展到用混凝土、鋼材及特種人造材料，材料的不斷進步推動了橋梁工程的不斷發展。近年來，除了致力于如何提高混凝土與鋼材的性能外，將纖維材料、智能材料、納米材料等復合材料如何應用到橋梁工程中，提高橋梁的安全性和使用性。隨著橋梁跨度的增大，橋梁結構的自重問題日益突顯，橋梁工程材料逐漸向高強、輕質方向發展,提高橋梁性能的同時提高橋梁的觀賞性。

碳纖維復合材料是一種新型高性能纖維材料，是典型的高科技領域中的新型工業材料，因其獨特的性能優勢而有著誘人的應用前景。目前在航空航天、軍工領域、汽車、電子、機械、化工、輕紡工業領域、民用體育領域等獲得廣泛應用。碳纖維的性能特點如下所示：

①石墨微晶沿纖維軸向堆砌后經碳化及石墨化處理得到碳纖維，故碳纖維沿纖維軸向有著很高的強度。近年來世界各國投入巨資研究生產制備碳纖維的工藝技術，美國制成的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維的拉伸強度高達5.5～5.8 GPa，模量達354～375GPa，隨著生產技術的進步，這一性能指標還將得到突破。比較后不難看出，碳纖維的這些性能指標均比鋼材高得多，且碳纖維材料的密度僅1.8g/cm3，只有鋼材的1/4左右，故其比強度比鋼材高得多，比模量也比鋼高。比強度、比模量高的材料，在橋梁工程中備受青睞。

②碳纖維的含碳量一般在90%以上，保留了碳的固有性質，即化學性質穩定，耐蝕性出類拔萃，對一般的酸、堿具有良好的穩定性，只有當溫度達400℃時才出現明顯的氧化，生成一氧化碳(CO)與二氧化碳(CO2)，避免了鋼鐵材料的生銹問題。曾有學者將PAN基碳纖維浸泡在氫氧化鈉強堿溶液中，經過長達30多年的時間它仍保持纖維形態。

③碳纖維材料無蠕變，具有優良的抗疲勞性能，且軸向熱膨脹系數小，溫度的變化對材料的性能影響不大，在溫度條件比較惡劣的環境下，這一性能優勢尤為明顯。

④碳纖維材料具有顯著的各向異性，柔軟可加工性強，可加工成各種織物如一定厚度的碳纖維布。碳纖維布可以在基本不增加構件自重及截面尺寸的前提下提高構件的強度，這源于碳纖維比強度高、厚度薄，保留了織物自身的柔軟性，素有“外柔內剛”之譽，是新一代纖維增強材料，故可用于橋梁、建筑物、隧道等結構的加固修復以及抗震加固。

基于碳纖維復合材料的上述優點，國外從20世紀70年代末就開始研究碳纖維復合材料在橋梁工程中的應用，我國于20世紀90年代后開始研究其在橋梁工程中的應用。

二、碳纖維在橋梁工程中應用的常見問題

目前橋梁工程中多是混凝土橋、鋼橋以及鋼-混凝土結合橋，使用了一段時間后經常出現以下幾個問題：①板梁產生縱向裂縫，內部鋼筋發生嚴重腐蝕；②部分板梁的混凝土出現嚴重腐蝕、霉變；③橋面上出現網狀裂縫；④護欄風化嚴重，混凝土剝落和鋼筋生銹[5]。以致越來越多的橋梁存在安全隱患甚至成為危橋，對交通、運輸產生很大影響。更加惡劣的建設條件如強風、深水、惡劣天氣等；更廣闊的功能需求如公鐵合建、全天候通車、高速鐵路交通等；更巨大的工程如瓊州海峽、臺灣海峽等，未來橋梁工程材料的性能要求將面臨新的挑戰。

面對橋梁工程中出現的諸多問題，結合碳纖維復合材料的各項性能特點，各國科學家掀起了將碳纖維復合材料用于橋梁工程的研究熱潮。目前走在世界前列的主要有日本、美國、德國以及韓國等少數國家，世界碳纖維產量達到4萬t/a以上，其中60%的碳纖維產量被日本占據。我國對碳纖維的研究起步較晚，且進展緩慢，制備工藝一直未得到突破，基本依賴進口。直到21世紀，國產碳纖維才逐漸進入產業化，加入碳纖維生產行列的企業逐漸增多，取得了一定成績。預計在不久的將來，我國碳纖維行業定會取得較快的增長速度。目前應用廣泛的是聚丙烯腈基碳纖維，因其生產工藝較其他方法簡單，約占全球碳纖維總產量的90%以上。

三、碳纖維復合材料在橋梁工程中的研究和應用情況

隨著交通事業的快速發展，橋梁工程作為交通運輸的樞紐其重要性日益明顯，而橋梁的質量和壽命即成為重中之重。危及橋梁安全性和耐久性的關鍵之處即鋼材的銹蝕問題，能否采取有效措施提高材料性能抵抗鋼材的銹蝕，或者選擇有效材料代替鋼材應用到橋梁工程中一直困擾著人們。碳纖維復合材料因其高強度、耐腐蝕、質量輕等獨特的性能特點，吸引了人們的眼球。隨著碳纖維材料制備工藝的日漸成熟所帶來的規模化生產以及碳纖維生產成本的逐年降低，且性能越來越好，碳纖維材料的商業化和民用化指日可待，它在橋梁結構工程中的廣泛應用必將帶來橋梁工程的快速發展。

1.碳纖維復合材料用于修建橋梁

將碳纖維復合材料制作成絞線和棒材與鋼筋混合使用，甚至替代鋼筋增強混凝土結構。利用碳纖維復合材料耐腐蝕性、耐堿性，在混凝土中不會像金屬一樣易銹蝕而影響使用壽命。日本首次在混凝土橋梁中采用碳纖維復合材料作力筋來修建橋梁。德國也于1991年將碳纖維復合材料制造成絞線應用到一座后張預應力混凝土高速跨線橋中，用楔形系統錨固在梁上。碳纖維復合材料在橋梁中的應用,特別是碳纖維復合材料的絞線和棒材用作預應力筋和體外筋的實踐,為碳纖維復合材料用作超大跨橋梁的纜索材料打下應用基礎。

2.碳纖維復合材料用于斜拉橋拉索

橋梁拉索和吊索發生破壞的主要原因也是銹蝕，這對材料的抗疲勞和抗腐蝕能力要求較高。而碳纖維材料具有優良的耐腐蝕、抗疲勞性、強度、彈性模量等，故有學者嘗試將碳纖維增強作為制作斜拉索和吊索的材料。瑞士著名的Winterthern Storchenbrucke橋中的斜拉索就部分采用了碳纖維復合材料[7]。該橋使用了2根由碳纖維復合材料制成的斜拉索，每根拉索又是由241根5mm的碳纖維復合材料筋束組成。隨著科技的不斷進步，碳纖維復合材料性能的不斷提高及成本的下降，其應用在拉索和吊索中的比例將不斷提高。

3.碳纖維復合材料用于橋梁加固

伴隨交通運輸的日益繁忙，某些公路橋梁長期處于超負荷的狀態，再加上老化、破損等現象的出現，我國約有30%的橋梁處于不堪重負的狀態。若拆除重建則發生交通中斷從而影響交通運輸的發展，故在舊橋的基礎上對其進行加固成為緩解交通一種行之有效的措施。

(1)用碳纖維復合材料進行加固

碳纖維復合材料加固修復利用樹脂類材料把碳纖維材料粘貼于結構或構件表面，形成復合材料體，使原有鋼筋混凝土和碳纖維共同形成受力面，從而增加橋體結構的抗剪和抗彎能力，改善力學性能。

美、日等發達國家從20世紀70年代末至80年代初就開始研究碳纖維復合材料在混凝土結構加固修補中的應用情況。我國從1997年才開始研究這項技術，盡管起步晚，前幾年發展較緩慢，但伴隨著我國科學的不斷進步及經濟建設的迅速發展，目前越來越多的高校和科研院所投入此項研究工作，同時也取得了令人矚目的研究成果。我國的土木建筑市場最具潛力，碳纖維加固技術在建筑結構的應用將獲得不斷增長。

碳纖維加固分為碳纖維布加固和碳纖維板加固2種，在實際工程中用來加固的碳纖維材料主要是碳纖維布，主要優勢體現在以下幾個方面：

①加固效果明顯：采用環氧樹脂將碳纖維布與鋼筋混凝土構件粘貼在一起，從而達到共同協作受力的效果，強度提高明顯，如混凝土結構及構件的承載力和延性都得到了很大提高，達到加固修補的目的。

②耐酸、堿、鹽類介質的腐蝕：碳纖維布在加固過程中只采用了環氧樹脂，無金屬材料的加入，因此不會生銹，無需像粘鋼法那樣需要的定期防銹維護。且碳纖維耐酸、堿等的腐蝕，可應用于工作環境惡劣的構件加固，尤其適合于沿海地區空氣濕度大，鹽堿含量較高的地區。

③施工簡便、速度快：碳纖維布密度小，質量輕且柔性好，因此可將碳纖維布帶至施工現場，根據現場尺寸大小進行裁剪，可操作性強；施工過程中，使用小型電動工具即可，無需大型設備，施工方便；不需要現場固定設施，占用場地少，可用操作空間要求較寬松，無濕作業，操作比較容易；施工速度快，粘貼碳纖維的加固工效是粘貼鋼加固工效的4～8倍。

④保持原結構不變，外觀漂亮：該操作僅僅是在原結構表面粘貼多層碳纖維布，根據構件形狀進行裁剪和粘貼碳纖維布，未改變原結構，還可在外層涂刷裝飾材料和防火材料以提高其觀賞性和安全性。另外，碳纖維材料預浸料質量小且薄，單層粘貼后厚度僅1.0 mm左右，粘貼后單位面積質量小于1.0kg(包括樹脂)，故施工后不增加構建的質量和體積，環氧樹脂黏結，不需要錨固螺栓，對原結構無新的損傷。且可根據受力情況需要粘貼若干層。

⑤通過封閉混凝土結構產生的裂縫，延長混凝土結構的使用壽命。

⑥碳纖維復合材料加固橋梁易于施工，施工時間短。

⑦適用面廣：碳纖維復合材料加固修補施工靈活，不受構件結構類型、形狀、施工部位的限制，可廣泛用于各種加固修補，這是目前任何一種結構加固方法所不可比擬的。

(2)碳纖維布在橋梁加固中的原理

在外力作用下，粘結劑能夠有效集中碳纖維絲的力量，使碳纖維絲在碳纖維布里形成共同的受力面，產生集體受力作用，并對核心混凝土產生約束作用，防止主筋發生屈服，從而提高鋼筋混凝土的承載力，最終實現橋梁的加固。

將碳纖維復合材料用于混凝土橋梁結構的加固，得到世界各國的普遍認可，且相當重視，它將成為未來混凝土橋梁加固修復的有效措施。

四、展望

隨著碳纖維復合材料在橋梁加固中的優勢逐漸突顯，混凝土橋梁的加固修復迎來了新的發展，同時帶來了橋梁建設材料的發展，進而推動了橋梁技術的進步，從而帶動橋梁工程的快速發展。隨著碳纖維復合材料制備技術的不斷成熟，生產規模的不斷壯大及生產成本的不斷降低，其在橋梁領域的應用范圍將逐步擴大。如果說鋼鐵和水泥是20世紀橋梁施工的主要材料，那么碳纖維復合材料將有可能成為21世紀的主要建橋材料，且是實現高跨度橋梁的理想材料。

利用碳纖維復合材料進行舊橋加固和修復，不僅降低成本，且效果理想，是橋梁加固修復的首選材料。將碳纖維復合材料筋束作為預應力混凝土橋梁的力筋，或斜拉橋的拉索，發揮其優良特性，逐步削減鋼材在橋梁施工中比例，應當作為碳纖維復合材料在橋梁中應用的重點。