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纤维增强复合材料得到桥梁工程界广泛关注

2022-12-13 来源:中国建材报 浏览数:1

工程材料的进步是推动工程结构发展的源动力。人类数千年来的桥梁建设历史也是一部建桥材料史。新材料的发明与推广往往会极大地促进桥梁工程的发展。历史上,混凝土与钢材就是很好的例子。20世纪以来,这两种“新”材料便在世界范围内逐步替代木、石、砖等古代建桥材料,使人类桥梁建设取得了前所未有的巨大发展。

桥梁工程亟需材料突破

21世纪人类经济社会的发展对桥梁工程提出了新的更高要求。钢与混凝土等传统建材,存在强度较低、自重过大、耐久性不足等问题,已越来越难以满足桥梁加固与新建的需求,桥梁工程亟需在材料层面实现突破。

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP,以下简称纤维复材)是一种高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、低蠕变的高性能材料,目前已广泛应用于航空航天、汽车、体育、能源等行业,土建领域的应用方兴未艾。在桥梁工程中,用纤维增强复合材料替代钢与混凝土等传统建材,可以进一步提升桥梁结构的力学性能与耐久性,降低工程总投资、减少碳排放,促进经济社会的可持续发展。

四种常用纤维复材

纤维复材,顾名思义是由增强纤维与基体材料复合而成。其中,纤维起承载作用,是纤维复材的受力主体;基体把分散的纤维粘结成整体,将外力传递给纤维,并对纤维起保护作用。桥梁工程用纤维复材主要有连续纤维增强树脂基体,其结构形式如图1所示。

图1 纤维复材的结构形式 刘越/供图

桥梁工程用纤维复材中常用的纤维主要有四种,分别是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维,如图2所示。

图2 四种常用纤维 刘越/供图

纤维复材性能优异

上述四种纤维材料的密度远小于常用的钢、铝合金等金属材料,而抗拉强度比金属大一个数量级以上,因此强度亦远大于金属,轻质高强的特性十分突出。除碳纤维外,其他三种纤维的弹性模量均小于钢材,与铝合金相当,但由于密度较小,纤维的比模量均大于金属材料。纤维的热膨胀系数亦远小于金属,其中碳纤维和芳纶纤维的热膨胀系数接近于零甚至为负数,显示出很强的温度变形惰性。

纤维复材的力学性能主要由纤维决定。由于纤维的高强度,各种纤维复材的拉伸强度均高于钢材特别是结构钢,其中高强碳纤维复材的拉伸强度可达3000MPa以上。除优异的静力性能外,纤维复材特别是碳纤维复材的抗疲劳性能远优于钢材。桥梁结构的疲劳问题较为突出,在桥梁中采用纤维复材进行加固或替换传统材料,有助于提升其抗疲劳性能。在恶劣服役环境中,纤维复材的耐久性要显著优于普通钢材。用纤维复材筋/索替换钢筋/钢索,可有效提升桥梁结构的耐久性,从根本上解决钢材的锈蚀问题,降低运营阶段的养护维修成本,延长桥梁的使用寿命。

此外,纤维复材还具有很强的可设计性,适合进行材料-结构一体化设计。在制备的时候,可通过选用不同的纤维、树脂基体、纤维体积比、纤维铺陈方向来调控纤维复材的强度、弹性模量、耐热性等性质。同时还可以采用不同的成型工艺并与其他材料进行混杂或复合制备出具有各种造型与性能的产品,满足桥梁工程的需求。

纤维复材亦有不足

纤维增强复合材料相较于传统建材亦有不足之处。除高模碳纤维复材外,其他纤维复材的弹性模量一般为50~160GPa,与钢材相比较低。由于所用纤维的不同,各种纤维复材的断裂伸长率差别较大,其中玻璃纤维复材的断裂伸长率最大,但也远小于钢材,显示出纤维复材延性不足。

此外,由于树脂基体的玻璃化温度相对较低,纤维复材的抗火与耐高温性能通常比混凝土与钢材差,但可使用添加剂提升其耐热性。

纤维复材值得关注

目前,纤维复材得到了桥梁工程界的广泛关注,亦是学术界的研究热点,但其仍只是特定环境中钢或混凝土材料的替代品,离大规模应用特别是新建桥梁中的大规模应用还有较大距离,亟需跨越一些限制行业发展的障碍,如从业人员对纤维复材认知不足、纤维复材的标准化程度低、售价较高、还未形成成熟的设计施工方法等。

期待桥梁工程师和科研人员对纤维复材加深了解,共同促进这种新型建桥材料在我国的大规模应用,推动21世纪中国桥梁的进一步发展。

 

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