1 纖維增強樹脂基復合材料簡介

纖維增強樹脂基復合材料通過將具有優異性能的添加材料融入到基礎材料中，各取所長，優勢互補，實現兩者的性能融合。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，玻璃纖維由于價格低廉、力學強度高、耐腐蝕性好等特性，具有優良的性價比，成為建筑材料的首選。而碳纖維具有力學強度高、彈性模量大、熱穩定性好以及耐熱性強等優勢，被廣泛地應用于橋梁、道路等工程建設中。

碳纖維復合材料主要是將大量規則排布或者不規則分布的連續纖維，通過使用特定材料與特殊的水泥黏結劑固定在一起而制成的。根據所添加增強體性能的不同，可針對性地完善基體本身的缺陷。所制備的纖維復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、熱穩定性、絕緣性等，而使用玻璃纖維則可以提升原材料的強度與韌性等性能。

除擁有上述優異性能以外，針對碳纖維復合材料其他性能的優化與開發也在不斷地進行，使其性能變得越來越完善。因此，碳纖維復合材料成為了橋梁建筑材料上的優選目標。與此同時，玻璃纖維復合材料雖然在性能方面無法與碳纖維復合材料相匹敵，但其也具備特定的優點。其中，最主要的優點就是原料易得且價格便宜。玻璃纖維復合材料的綜合性能雖然不是很完善，但在應用中可以針對不同地區的氣候與環境特點進行某一方面的優化改善，以此來適應特定橋梁工程的需求，這就使得玻璃纖維復合材料也成為了優選目標。

近十幾年來，碳纖維復合材料處于高速發展中。這主要是因為原始橋梁建筑材料在力學性能方面的弊端暴露得越來越多，導致針對于纖維復合材料力學性能方向的研究越來越頻繁，且目前研究結果已取得了突破性進展，這使得生產質量與生產速度有了極大提升，同時生產成本也得到大幅降低。尤其是在最近幾年的發展中，碳纖維樹脂基復合材料在比強度與延伸率方面不斷提升，其比強度可以達到 2 000 (N·m)/g 以上，延伸率從最初的0.9%逐步提升至 2.1%，最高的時候可以達到 2.5%左右。經過優化以后，碳纖維材料已經可以用于主承力結構。

現階段，纖維增強復合材料在國內外的橋梁工程中已經開始發揮不可替代的作用。我國早在1982 年就開始使用纖維增強樹脂基復合材料，北京引入了玻璃纖維增強復合材料用于建設一座公路橋。幾年后，我國重慶市也成功地引入了玻璃纖維復合材料來建造人行斜拉橋。

1992 年，英國與美國也開始廣泛地使用玻璃纖維復合材料進行橋梁的建設。1997年，丹麥第一個使用了全復合材料構件鐵道橋，從此各國開始了全復合材料的研究。2009 年，荷蘭的帝斯曼公司展示了全復合材料人行橋，橋身比同等規格的混凝土橋梁輕，但承受的質量卻可以達到30 t。2015年，美國西弗吉尼亞大學將金屬材料與玻璃纖維增強復合材料結合，成功地設計出了新型的橋梁材料。綜上所述，世界各國在橋梁工程材料研究的方向上基本相同。雖然世界各國對于纖維增強基復合材料進行了很長時間的研究，且已經小有成就，但目前來看，各國僅僅將其使用在小范圍的橋梁上，想要大規模普及纖維增強基復合材料仍然有很大困難。

與此同時，傳統的修補方法隨著時間的推移開始產生新的問題。傳統修補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量的原因，安裝也十分困難。因此急需一種質量輕盈、強度高、施工方便的纖維復合材料，對橋梁建設進行根本性的改革。

3 纖維增強樹脂基復合材料橋梁

3.1 需要快速建造/拆除的公路橋

隨著車輛使用越來越頻繁，為了保證出行便捷，公路橋等交通設施也必須進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、氣候變化頻繁等原因已出現各種各樣的問題，必須進行修補、加固或拆除。傳統鋼筋混凝土質量大，搭建十分困難，費時費力，嚴重影響建設效率。而纖維增強樹脂基復合材料質量輕，搭建方便，僅僅幾個小時就可以搭建完畢，極大地提高了施工效率。唐浩俊等研究了纖維增強材料在德國弗里德伯格公路橋上的應用，從工程背景出發，對橋梁的設計、分析計算、施工以及驗收等進行了詳細研究，目前該橋梁已建成通車，并具有耐久性良好以及可快速裝配等特點。陳向前等對纖維增強樹脂基復合材料在橋梁工程中的應用進行了介紹，列舉了使用該材料作為受力構件的世界橋梁實例，例如美國圣帕特里西奧Texas FM3284橋梁、美國威斯康星布萊克橋梁和某桁架式軍用橋梁，以及美國維吉尼亞 40 號公路橋墩和 I-5PGilman斜拉橋等。通過實踐，證明纖維增強樹脂基復合材料組合成的梁、板、柱構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、美學與環境的觀賞橋

生活質量的提高，促使人們的觀念從追求物質享受轉變為精神享受，觀賞橋的建設方興未艾。對于觀賞橋而言，不僅要保證橋梁的使用壽命與安全性，而且應保證外觀設計、藝術造型的美學要求，同時還要兼顧人文與景色的完美結合。纖維增強基復合材料與其他材料相比，具有不可替代的優勢，如力學性能優異、材料樣式多、密度小、安裝方便等特性，因此使用纖維增強樹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

在以前的橋梁建設中，人們總會優先想到鋼筋混凝土。鋼筋混凝土材料在力學性能上有明顯的優勢與短板，優勢在于可以承受住高強度的壓縮，短板在于無法承受住極限的拉伸，然而纖維增強基復合材料可以很好地兼容這兩點。因此，在目前的修補手段上，有很多案例使用了纖維增強基復合材料來抵抗高強度的拉伸作用。

當前，纖維增強復合材料更多的應用于加固，而在直接構件中很少使用。而且世界上直接使用纖維復合材料建造的橋梁僅僅是人行橋或者是載重等級較低的橋梁，同時在數量上也是非常少的。將纖維增強樹脂基復合材料應用于負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合材料構建而成的梁式橋。這座玻璃鋼公路橋長度 21 m，寬度10 m，橋梁本身質量大約 30 t，相比于同等級的鋼筋混凝土構建的橋，它自重更輕，設計荷載為汽車15 t，驗算荷載為掛車 80 t。另一座則位于保加利亞，其長度與寬度均比我國的橋梁小，而且荷載量也僅有汽車 8 t。以此來看，纖維增強樹脂基復合材料在大承載量橋的應用研究仍然不夠先進，還需要進行深入挖掘。

3.4 超大跨度懸索橋

由于普通橋梁的建造技術已趨于成熟，目前全世界都開始向著新領域進行拓展，建造超大跨度懸索橋逐漸成為設計者與建設者的研究領域。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增加。對于如此大量的纜索材料，如繼續使用傳統的金屬材質，考慮其本身質量就很大，將會導致橋梁在載重上的使用率非常低。同時，橋梁建設地點大多為沿海地區，這對使用材質的耐腐蝕性與耐疲勞性也提出了很大的挑戰。相比于傳統材料，纖維增強基復合材料密度更小，自重更輕，同時也具備優異的耐腐蝕性能。梅葵花等的研究表明，相同數量的纖維增強基復合材料在經過長達 20 萬次循環使用后，仍能保持著完美的原始架構與性能，這證明其在抗疲勞性能方面極大地優于傳統材料。在超大跨度懸索橋建造中，該研究為采用纖維增強基復合材料代替傳統金屬材料作為纜索構件的可行性提供了很好的理論依據和設計思路。

4 在橋梁建設中的問題及解決思路

從上述材料特性與應用情況來看，纖維增強樹脂基復合材料具有很多傳統材料不可比擬的優勢，但是其作為橋梁建造材料仍存在一些缺點，需要研究者繼續開展研究與解決。

(1) 安裝固定上的問題。纖維增強樹脂基復合材料在縱向上具有非常優異的力學性能與拉伸率，但在橫向上的性能則不夠完善，這就使得在使用纖維增強樹脂基復合材料進行橋梁錨固時無法完全達到設計要求。目前已有學者就此問題開展研究，如提出使用環氧樹脂與陶瓷材料組合的方案，可以很好地避免應力損失，保證達到材料的使用要求。

(2) 海風等氣候影響問題。纖維增強樹脂基復合材料本身質量較輕，是一大優勢，但當遇到海風或者陸地大風時，橋梁主體的縱向剛度還不足以抵御強風。

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

(4) 纖維增強樹脂基復合材料具有很好的耐腐蝕性，導致其一旦成為建筑垃圾以后，后續的回收處理也將非常困難，如無法被快速降解、易污染環境等。因此，如何發展可持續循環使用的復合材料或者開發出可降解纖維復合材料，將是未來研究的重要方向。

[1]朱振業.橋梁工程用纖維增強樹脂基復合材料的應用進展[J].合成纖維,2023,52(11):79-82.DOI:10.16090/j.cnki.hcxw.2023.11.009.