高性能纤维及其制品在路桥建设中的应用
时间：2020-12-29 00:03:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
随着经济发展，城市化进程加快，世界各国在交通等基础设施建设方面有了很大发展，尤其是在道路和桥梁建设方面，因此如何延长道路和桥梁的使用寿命、减少不必要的耐久性能严重蜕化和倒塌等毁灭性事故，成为近几年来的研究热点。高性能纤维及其制品材料因良好的耐久性和抗疲劳性等成为解决路桥建设中路基不强、桥面结构破坏、钢筋锈蚀等问题的重要选择。
1玻璃纤维
玻璃纤维是玻璃在熔融状态下以外力控制喷吹或以离心力甩成的纤维状材料，与其他材料相比，其强度高、电绝缘性能优良、化学稳定性好、耐热性和隔音性优良。近年来人们通过对玻璃纤维性能的深入研究，开发了玻璃纤维在电工绝缘、环境、生物医学和建筑材料等领域中的新用途。玻璃纤维是复合材料中使用量最大的一种增强纤维，尤其是在路桥建设中起着重要应用，其主要制品主要包括玻璃纤维增强水泥和玻璃钢。
玻璃纤维增强水泥是以玻璃纤维为增强材料，以水泥净浆或水泥砂浆为基体而形成的一种复合材料。该材料不仅可以提高水泥基的抗弯、抗拉强度，还可以提高其抗冲击强度。其问世克服了以水泥为基体的建筑材料抗弯、抗拉强度和抗冲击强度低的缺陷。研究发现，少量的玻璃纤维加到水泥基体中就可以取得很好的增强效果，玻璃纤维在水泥基体中能够保持较高的强度和较好的韧性，使得复合材料使用寿命长，且可靠性较高。用玻璃纤维加固钢筋混凝土梁具有重量轻、可现场剪裁、粘贴方便、材料不生锈等优点，因此在桥梁加固中得到广泛应用。
玻璃钢即玻璃纤维增强塑料，是以热固性或热塑性树脂为胶结料，以玻璃纤维或玻璃布为填充料的一种复合材料，它综合发挥了两种原材料的优点，具备轻质高强等特点。该材料耐热性、耐腐蚀性及电绝缘性均良好，但刚度不如金属，且蠕变较大。
玻璃钢可做成板，也可织成布。比如用玻璃钢制成梯形或六角形空心长筒，再把它们粘合成整体，形成“蜂窝桥面板”，然后横铺在主梁上构成行车道板，其重量仅相当于混凝土的 1/5，可大大减轻桥梁自重，相当于提高了承载能力；玻璃钢还可做成永久性桥墩模板，在腐蚀环境中更能发挥其抗腐蚀优势，大大提高桥墩耐久性；在加固桥墩立柱时，可用玻璃丝布将立柱缠绕起来，分层用环氧树脂浸透，可以为立柱砼提供侧限，同时起到保护作用；用玻璃钢制成各种土工织物即玻璃纤维土工格栅，可解决道路建设中的诸多问题。道路专用玻璃纤维土工格栅是一种增强道路路面的新型优良基材，它采用纤维长丝双面涂敷而成，具有很高的纵横向抗拉强度，延伸率低，耐高温。经表面处理之后，抗碱性较高，可应用于沥青混凝土路面和水泥混凝土路面工程，有效防止了道路反射裂缝、龟裂、网裂等质量通病。
2碳纤维
碳纤维是指含碳量在 90% 以上的高强度、高模量纤维。碳纤维比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量等特性，在国防、军工和民用方面都是重要材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料的重要增强材料，这种复合材料由碳纤维及其聚合物基质组合而成，其中碳纤维主要增加刚度和强度，而聚合物基质增强弹性和韧性。目前该材料在土木工程领域应用广泛，尤其是在路桥建设方面，其中应用最广的是碳纤维混凝土。
碳纤维混凝土是在普通混凝土中加入片状的碳纤维，碳纤维在水泥浆的强碱性环境中稳定性好，无毒无害，无石棉纤维的致癌结构，性能优于玻璃纤维、钢纤维，并且对水的湿润性大，与混凝土粘结紧密，因而增强效果特别好。研究表明，加入碳纤维后不仅可显著提高混凝土的强度和韧性，而且其电学性能也有了明显改善，具备本征自感应、自调节功能，可以作为传感器并以电信号输出形式反映自身受力状况和内部的损伤程度，或作为驱动器调节自身温度、应力及变形，在智能材料结构系统的研究和开发中备受关注。
碳纤维复合材料中乱向分布的碳纤维主要用于阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时提高了基体抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和抗冲击韧性。
碳纤维混凝土高强高效、长耐久性、耐腐蚀等特点使其成为桥梁加固和建筑物抗震补强的理想材料。与传统的钢材相比，复合材料密度低、强度高、抗蚀性好、操作性能好、抗疲劳和抗蠕变性好，可以加预应力、不会生锈，而且可以保持原有的外形不变，保持了桥梁原有的设计特色。随着碳纤维成本的不断降低与复合材料制造技术的发展，土木建筑领域将成为碳纤维复合材料应用的重要市场。
3芳纶
芳纶属于芳族聚酰胺纤维，其分子结构具有很高的伸直平行度和取向度，这种分子结构决定了芳纶具有很高的强度和模量，以及良好的热稳定性。芳纶在 150 ～ 180 ℃下仍具有较高的断裂强度，在 180 ℃下放置 200 h，其强力仍可保持 90% 以上；此外，芳纶还具有较好的耐腐蚀性和防潮性。
高性能芳纶增强复合材料具有强力高、伸长小、重量轻、柔软、寿命长等特点，被广泛应用于航天、航海、防护服、缆绳、建筑等领域，代表性产品主要包括用于路桥建设的芳纶布、筋棒和芳纶混凝土等。芳纶布是一种用于土木结构工程的新材料，主要成分是对苯二胺聚合物，其中既含脂肪族主链又含芳香族主链，所以分子结构牢固，它除了具有一般复合材料所共有的轻质高强、高弹性模量、耐腐蚀等特点外，还具有非常好的抗冲击、抗剪切、抗疲劳、延展性、电绝缘性特点，是一种理想的加固修补材料。在加固桥梁时，加固方式包括抗弯和抗剪，其中在进行抗弯加固时，芳纶的纤维方向与梁轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，以提高梁的承载能力。据有关试验表明：贴一层AK – 40芳纶布可提高承载 30%，贴两层可提高 40%。在进行抗剪加固时，芳纶布的纤维方向与梁轴向垂直。使用该种材料进行加固修补后，可节省大笔维修费用，且其本身可以起到对内部混凝土结构的保护作用，达到双重加固修补的目的。
作为具有优良性能的芳纶，可以将它编成束，经过树脂浸渍和热处理制成 3 ～ 16 mm粗的筋棒。这种筋棒能够承受 8 ～ 250 kN的拉力，极限拉伸率为 2.0%，同时具有极高的抗酸碱腐蚀性能，可以弯曲成很小的半径，作为螺旋筋使用。该复合材料可被制成桥墩构建，并起到加固桥梁的作用。在混凝土中加入一定量的芳纶短纤，可制成增强混凝土，该材料除了强度高、重量轻以外，还能耐盐类腐蚀，可延长建筑物寿命，用于路桥建设中可实现普通混凝土达不到的效果。芳纶复合材料优势明显，性价比高，相信将在路桥建设中得到广泛应用。
4结语
高性能纤维及制品由于具有高强、阻裂、抗渗、抗冻、抗冲击、耐磨和抗腐蚀等特点，在路桥建设方面发挥了很大的作用，尤其是随着工程建设的需要和科学技术的发展而出现的纤维混凝土，它们除了达到高抗压、高抗拉等要求外，而且容易施工，同时能长期保持高强、高韧性、高抗渗等性能，即改善了传统混凝土抗拉性能和延展性差等缺点，因而在路桥行业得到了广泛应用。随着世界高新纤维合成与纺丝工艺的发展，高性能纤维及制品在路桥建设方面的应用前景将更为广阔。
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