劉成才，李西芝

（1.河海大學(xué) 土木交通學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

目前我國(guó)交通建設(shè)中多采用如鋼筋混凝土和鋼材等傳統(tǒng)工程材料，但是隨著服役年限的增加以及更多新需求的出現(xiàn)，以傳統(tǒng)工程材料為基礎(chǔ)的交通基礎(chǔ)設(shè)施正面臨著諸如節(jié)能減排問(wèn)題、耐久性等一系列的難題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料正憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前纖維復(fù)合材料已在航空航天、汽車和船舶制造以及風(fēng)機(jī)葉片等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合纖維復(fù)合材料特點(diǎn)對(duì)其在交通工程中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 纖維復(fù)合材料及其特性

纖維復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）是由高性能纖維材料與基體材料按一定比例并經(jīng)過(guò)一定工藝復(fù)合形成的一種高性能材料。纖維和基體材料均較為廣泛，其組成材料見(jiàn)圖1［1］。

圖1 復(fù)合材料的組成材料示意圖

纖維復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度較高。常用的玻璃纖維復(fù)合材料相對(duì)密度為1 500~2 000 kg/m3，只有碳鋼的1/4~1/5，而拉伸強(qiáng)度卻接近甚至超過(guò)碳素鋼，可與高級(jí)合金鋼相比。（2）復(fù)合材料的力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以通過(guò)選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復(fù)合材料構(gòu)件或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

（3）復(fù)合材料的抗疲勞性能良好，一般金屬的疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40%~50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70%~80%。

（4）復(fù)合材料的減振性能良好。纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。

（5）復(fù)合材料的安全性好。構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。

（6）復(fù)合材料的隔熱、隔音性好。樹脂基復(fù)合材料的夾層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)比普通紅磚小10倍，比混凝土小20多倍。

（7）復(fù)合材料的絕緣性能好。玻璃纖維復(fù)合材料具有良好的絕緣性能，不受電磁波作用，不反射無(wú)線電波。

（8）復(fù)合材料耐化學(xué)腐蝕性好。纖維復(fù)合材料具有很好的抗微生物作用和耐酸、堿、有機(jī)溶劑及海水腐蝕作用的能力，對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。

（9）復(fù)合材料透水和吸水性低。玻璃纖維復(fù)合材料吸濕性很低，不透水。

纖維復(fù)合材料成型工藝是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，復(fù)合材料制造工藝得到迅速發(fā)展，目前已有20多種，并成功地用于工業(yè)生產(chǎn)，如手糊成型工藝、噴射成型工藝、拉擠成型工藝、纖維纏繞成型工藝、真空導(dǎo)入工藝、模壓成型工藝等。其中拉擠成型工藝可生產(chǎn)出截面形狀復(fù)雜、性能穩(wěn)定的連續(xù)型材（如：方形、工字形、槽形等型材）。圖2為拉擠成型工藝與空腹橋面板構(gòu)件圖。由于拉擠型材中纖維主要沿軸向，纖維含量高，有很好的受力性能，可直接作為受力構(gòu)件，也可以與其它材料組合受力。目前，我國(guó)在拉擠成型工藝方面已有較大發(fā)展，能夠連續(xù)成型各類較大截面的異型構(gòu)件，也可拉擠成型夾層結(jié)構(gòu)板材以及玻璃纖維/碳纖維復(fù)合拉擠型材［2］。

圖2 拉擠成型工藝及其型材

2 纖維復(fù)合材料在交通建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)

（1）復(fù)合材料橋面板

經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，復(fù)合材料橋面板已出現(xiàn)多種類型，可滿足不同的工程需求。按成型工藝可分為手糊成型復(fù)合材板料橋面板、真空導(dǎo)入成型復(fù)合材料橋面板、拉擠成型復(fù)合材料橋面板（包括采用拉擠型材膠接組合而成的復(fù)合材料橋面板）；按是否夾芯可分為復(fù)合材料空心橋面板和復(fù)合材料夾芯橋面板［3］。

（2）全復(fù)合材料橋梁

世界上第一座采用復(fù)合材料主梁的公路橋，是位于我國(guó)北京密云的蜂窩箱梁橋（見(jiàn)圖3），該橋建成于1983年，采用手糊制作的GFRP蜂窩箱梁作為橋梁主梁，跨度為20.7 m。另外歐盟委員會(huì)在1998年開(kāi)始建立ASSET橋工程（見(jiàn)圖4），并在2002年秋季完成，該橋也是按照公路橋標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造的［4］。

圖3 密云復(fù)合材料橋

圖4 ASSET橋

（3）復(fù)合材料加固補(bǔ)強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)

FRP加固補(bǔ)強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成了從纖維材料、樹脂材料以及工程應(yīng)用的一系列產(chǎn)業(yè)［5］。

（4）FRP筋、FRP索

FRP也可以制成筋材、索材和網(wǎng)格材，在混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中可直接代替鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋，通常為拉擠或拉纏工藝制成，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕、非磁性、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，可用于強(qiáng)腐蝕環(huán)境、沿海、堿漬地區(qū)的工程，以及有無(wú)磁性要求的工程［6］。

2.2 道路工程

（1）管涵

玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂管（簡(jiǎn)稱玻璃鋼管）是目前國(guó)內(nèi)外逐漸推廣使用的一種柔性復(fù)合材料（樹脂、纖維、砂等）管道（見(jiàn)圖5），與鋼筋混凝土管相比，這種管道可用于壓力或重力水輸送系統(tǒng)。

（2）土工布或格柵

玻璃纖維土工格柵（見(jiàn)圖6）結(jié)合了玻璃纖維的強(qiáng)度大、蠕變小、模量高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨、抗寒性、耐磨、抗侵蝕、與瀝青路面緊密結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，可有效控制、延緩瀝青道路的疲勞開(kāi)裂、高溫車轍、低溫縮裂及反射裂縫等病害，能夠加強(qiáng)瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能，提高道路的使用壽命。

圖5 復(fù)合材料管涵

圖6 復(fù)合材料土工布或格柵

（3）道路護(hù)欄

復(fù)合材料護(hù)欄結(jié)構(gòu)作為一種新型的護(hù)欄，憑借其獨(dú)特的優(yōu)越性，已在國(guó)外大量應(yīng)用，并逐漸在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣［7］。

2.3 港口航道工程

（1）碼頭防護(hù)樁

復(fù)合材料碼頭防護(hù)樁可在內(nèi)部填充混凝土，工廠預(yù)制好后再到現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工速度快，質(zhì)量有保證（見(jiàn)圖7）。此外，碼頭防護(hù)樁充分利用了復(fù)合材料管樁彈性大變形、彎曲強(qiáng)度大、彈性模量低的特點(diǎn)，延長(zhǎng)撞擊時(shí)間，耗散撞擊能量，并能有效減輕船舶撞損，且具有耐腐蝕、免維護(hù)的優(yōu)異性能。

（2）板樁

復(fù)合材料U型、Z型、工字型等折線型板樁截面構(gòu)件相對(duì)于H型鋼、角鋼等鋼結(jié)構(gòu)中常用的構(gòu)件，在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求的同時(shí)，其自身的輕質(zhì)、耐腐蝕、施工方便及維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)也顯現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖8）。折線型截面復(fù)合材料板樁不含有害的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響極小。

（3）防船撞設(shè)施

自浮式復(fù)合材料防撞結(jié)構(gòu)具有整體吸能效果好、耐腐蝕、造價(jià)低廉、適合水位變化的優(yōu)點(diǎn)（見(jiàn)圖9），克服了傳統(tǒng)鋼套箱防撞設(shè)施的局限性；可以解決傳統(tǒng)鋼套箱防撞設(shè)施安裝需要大型船吊、現(xiàn)場(chǎng)焊接與螺栓連接等操作難題，節(jié)省了巨額安裝費(fèi)用；同時(shí)節(jié)段預(yù)制拼裝工藝無(wú)需斷航斷路且大大縮短了施工工期；后期維護(hù)工作量少，在遭受船舶撞擊后，便于局部維修與節(jié)段更換，易修復(fù)［8］。

2.4 軌道交通工程

（1）復(fù)合材料軌枕

復(fù)合材料軌枕在國(guó)外鐵路軌道上已開(kāi)始鋪設(shè)應(yīng)用多年（見(jiàn)圖10）。加拿大已批量生產(chǎn)復(fù)合軌枕，日本采用FFU復(fù)合材料軌枕已鋪設(shè)多年，并應(yīng)用大號(hào)碼高速道岔復(fù)合岔枕。

（2）電纜支架、疏散平臺(tái)

地鐵車站隧道內(nèi)的金屬管線、構(gòu)件極易被腐蝕，采用復(fù)合材料電纜支架、地鐵護(hù)罩和疏散平臺(tái)（見(jiàn)圖11）可有效解決區(qū)間隧道潮濕環(huán)境的金屬銹蝕問(wèn)題及區(qū)間隧道各種設(shè)備產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，且能減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量。

2.5 交通工程

（1）復(fù)合材料踏步盲道板

復(fù)合材料踏步盲道板（見(jiàn)圖12）不僅對(duì)普通乘客有一定的的警示提醒作用，而且對(duì)盲人乘客的引導(dǎo)和提示作用十分有效。利用SMC片材的良好著色性，可制成多種與車站色彩和諧的盲道板。

圖7 復(fù)合材料碼頭防護(hù)樁

圖8 復(fù)合材料板樁

圖9 復(fù)合材料防船撞設(shè)施

圖10 復(fù)合材料軌枕

圖11 復(fù)合材料疏散平臺(tái)

圖12 復(fù)合材料踏步盲道板

（2）復(fù)合材料聲屏障

目前，聲屏障主要用于高速公路、高架道路、城市輕軌地鐵等交通市政設(shè)施中的隔聲降噪、控制交通噪聲對(duì)附近城市區(qū)域的影響，也可用于工廠和其它噪聲源的隔聲降噪（見(jiàn)圖13）。

（3）標(biāo)牌、防眩板

采用新型復(fù)合材料的防眩板、標(biāo)牌（見(jiàn)圖14）質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、耐老化、密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足室外工程項(xiàng)目中各種惡劣環(huán)境和場(chǎng)所的需要；外表美觀，可制成各種顏色；字跡圖案清晰，顯示效果好；重量輕，便于運(yùn)輸安裝，可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；防偷盜，同時(shí)復(fù)合材料無(wú)回收價(jià)值，防盜性好。

圖13 復(fù)合材料聲屏障

圖14 復(fù)合材料標(biāo)牌

3 纖維復(fù)合材料應(yīng)用展望

目前，我國(guó)交通建設(shè)領(lǐng)域纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展水平仍與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨一些亟待解決的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在纖維復(fù)合材料自主創(chuàng)新能力薄弱；產(chǎn)學(xué)研用相互脫節(jié)，產(chǎn)品推廣應(yīng)用困難，缺少重大項(xiàng)目的推廣應(yīng)用；交通領(lǐng)域纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和政策引導(dǎo)，研發(fā)投入少且分散；缺乏完善的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。纖維復(fù)合材料本身應(yīng)用在交通建設(shè)領(lǐng)域中時(shí)存在彈性模量低、長(zhǎng)期耐溫性差、易老化、層間剪切強(qiáng)度低、造價(jià)較高、構(gòu)件間連接復(fù)雜等問(wèn)題尚需解決。因此認(rèn)為還應(yīng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作：

（1）纖維復(fù)合材料性能的提升研究。復(fù)合材料在交通建設(shè)中應(yīng)用存在幾個(gè)劣勢(shì)，彈性模量低、長(zhǎng)期耐溫性差、老化現(xiàn)象、層間剪切強(qiáng)度低、造價(jià)較高，為了進(jìn)一步推廣應(yīng)用纖維復(fù)合材料，需要進(jìn)行材料的改進(jìn)研究。

（2）復(fù)合材料設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前國(guó)家已發(fā)布的復(fù)合材料材料相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大多是針對(duì)材料本身的，缺少交通行業(yè)的設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，往往使得設(shè)計(jì)人員將復(fù)合材料應(yīng)用在交通建設(shè)領(lǐng)域時(shí)遇到困難，限制了復(fù)合材料的應(yīng)用。

（3）專業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)。交通建設(shè)工程往往涉及到巨大的經(jīng)濟(jì)投入，因此確保其使用產(chǎn)品的質(zhì)量滿足規(guī)定要求極為重要，目前還沒(méi)有專門針對(duì)交通行業(yè)纖維復(fù)合材料的專業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)機(jī)構(gòu)，還處于空白階段。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的飛速進(jìn)步，纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、耐久性好、多功能、可設(shè)計(jì)、易加工等優(yōu)點(diǎn)，獲得了世界各地交通建設(shè)者的青睞，在特殊環(huán)境工程、永久性工程、結(jié)構(gòu)修復(fù)加固等應(yīng)用中將發(fā)揮其巨大的優(yōu)越性。

［1］沃丁柱.復(fù)合材料大全［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［2］黃家康.復(fù)合材料成型技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

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