纤维复合材料在交通建设领域中的应用

刘成才，李西芝

（1.河海大学 土木交通学院，江苏 南京 210098; 2.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

目前我国交通建设中多采用如钢筋混凝土和钢材等传统工程材料，但是随着服役年限的增加以及更多新需求的出现，以传统工程材料为基础的交通基础设施正面临着诸如节能减排问题、耐久性等一系列的难题。随着科学技术的不断进步，复合材料正凭借其自身的优点，越来越受到人们的关注。目前纤维复合材料已在航空航天、汽车和船舶制造以及风机叶片等领域得到了广泛应用，积累了丰富的工程应用经验。本文结合纤维复合材料特点对其在交通工程中的应用进行探讨。

1 纤维复合材料及其特性

纤维复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）是由高性能纤维材料与基体材料按一定比例并经过一定工艺复合形成的一种高性能材料。纤维和基体材料均较为广泛，其组成材料见图1［1］。

图1 复合材料的组成材料示意图

纤维复合材料具有如下优点：

（1）复合材料的比强度和比刚度较高。常用的玻璃纤维复合材料相对密度为1 500~2 000 kg/m3，只有碳钢的1/4~1/5，而拉伸强度却接近甚至超过碳素钢，可与高级合金钢相比。（2）复合材料的力学性能可设计性强。树脂基复合材料的力学性能可在很大范围内进行设计，可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。

（3）复合材料的抗疲劳性能良好，一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40%~50%，而某些复合材料可高达70%~80%。

（4）复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。

（5）复合材料的安全性好。构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。

（6）复合材料的隔热、隔音性好。树脂基复合材料的夹层结构的导热系数比普通红砖小10倍，比混凝土小20多倍。

（7）复合材料的绝缘性能好。玻璃纤维复合材料具有良好的绝缘性能，不受电磁波作用，不反射无线电波。

（8）复合材料耐化学腐蚀性好。纤维复合材料具有很好的抗微生物作用和耐酸、碱、有机溶剂及海水腐蚀作用的能力，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。

（9）复合材料透水和吸水性低。玻璃纤维复合材料吸湿性很低，不透水。

纤维复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合材料制造工艺得到迅速发展，目前已有20多种，并成功地用于工业生产，如手糊成型工艺、喷射成型工艺、拉挤成型工艺、纤维缠绕成型工艺、真空导入工艺、模压成型工艺等。其中拉挤成型工艺可生产出截面形状复杂、性能稳定的连续型材（如：方形、工字形、槽形等型材）。图2为拉挤成型工艺与空腹桥面板构件图。由于拉挤型材中纤维主要沿轴向，纤维含量高，有很好的受力性能，可直接作为受力构件，也可以与其它材料组合受力。目前，我国在拉挤成型工艺方面已有较大发展，能够连续成型各类较大截面的异型构件，也可拉挤成型夹层结构板材以及玻璃纤维/碳纤维复合拉挤型材［2］。

图2 拉挤成型工艺及其型材

2 纤维复合材料在交通建设领域中应用现状及趋势

2.1 桥梁结构

（1）复合材料桥面板

经过近20年的发展，复合材料桥面板已出现多种类型，可满足不同的工程需求。按成型工艺可分为手糊成型复合材板料桥面板、真空导入成型复合材料桥面板、拉挤成型复合材料桥面板（包括采用拉挤型材胶接组合而成的复合材料桥面板）；按是否夹芯可分为复合材料空心桥面板和复合材料夹芯桥面板［3］。

（2）全复合材料桥梁

世界上第一座采用复合材料主梁的公路桥，是位于我国北京密云的蜂窝箱梁桥（见图3），该桥建成于1983年，采用手糊制作的GFRP蜂窝箱梁作为桥梁主梁，跨度为20.7 m。另外欧盟委员会在1998年开始建立ASSET桥工程（见图4），并在2002年秋季完成，该桥也是按照公路桥标准进行设计和建造的［4］。

图3 密云复合材料桥

图4 ASSET桥

（3）复合材料加固补强桥梁结构

FRP加固补强桥梁结构是目前发展最为成熟的一项技术。经过多年的发展已经形成了从纤维材料、树脂材料以及工程应用的一系列产业［5］。

（4）FRP筋、FRP索

FRP也可以制成筋材、索材和网格材，在混凝土和预应力混凝土结构中可直接代替钢筋和预应力钢筋，通常为拉挤或拉缠工艺制成，具有轻质高强、抗腐蚀、非磁性、抗疲劳等优点，可用于强腐蚀环境、沿海、碱渍地区的工程，以及有无磁性要求的工程［6］。

2.2 道路工程

（1）管涵

玻璃纤维增强热固性树脂管（简称玻璃钢管）是目前国内外逐渐推广使用的一种柔性复合材料（树脂、纤维、砂等）管道（见图5），与钢筋混凝土管相比，这种管道可用于压力或重力水输送系统。

（2）土工布或格栅

玻璃纤维土工格栅（见图6）结合了玻璃纤维的强度大、蠕变小、模量高、热稳定性强、耐磨、抗寒性、耐磨、抗侵蚀、与沥青路面紧密结合等优点，可有效控制、延缓沥青道路的疲劳开裂、高温车辙、低温缩裂及反射裂缝等病害，能够加强沥青路面的结构性能，提高道路的使用寿命。

图5 复合材料管涵

图6 复合材料土工布或格栅

（3）道路护栏

复合材料护栏结构作为一种新型的护栏，凭借其独特的优越性，已在国外大量应用，并逐渐在国内进行推广［7］。

2.3 港口航道工程

（1）码头防护桩

复合材料码头防护桩可在内部填充混凝土，工厂预制好后再到现场安装，施工速度快，质量有保证（见图7）。此外，码头防护桩充分利用了复合材料管桩弹性大变形、弯曲强度大、弹性模量低的特点，延长撞击时间，耗散撞击能量，并能有效减轻船舶撞损，且具有耐腐蚀、免维护的优异性能。

（2）板桩

复合材料U型、Z型、工字型等折线型板桩截面构件相对于H型钢、角钢等钢结构中常用的构件，在满足强度、刚度和稳定性要求的同时，其自身的轻质、耐腐蚀、施工方便及维护费用低等优势也显现出来（见图8）。折线型截面复合材料板桩不含有害的化学物质，对生态环境影响极小。

（3）防船撞设施

自浮式复合材料防撞结构具有整体吸能效果好、耐腐蚀、造价低廉、适合水位变化的优点（见图9），克服了传统钢套箱防撞设施的局限性；可以解决传统钢套箱防撞设施安装需要大型船吊、现场焊接与螺栓连接等操作难题，节省了巨额安装费用；同时节段预制拼装工艺无需断航断路且大大缩短了施工工期；后期维护工作量少，在遭受船舶撞击后，便于局部维修与节段更换，易修复［8］。

2.4 轨道交通工程

（1）复合材料轨枕

复合材料轨枕在国外铁路轨道上已开始铺设应用多年（见图10）。加拿大已批量生产复合轨枕，日本采用FFU复合材料轨枕已铺设多年，并应用大号码高速道岔复合岔枕。

（2）电缆支架、疏散平台

地铁车站隧道内的金属管线、构件极易被腐蚀，采用复合材料电缆支架、地铁护罩和疏散平台（见图11）可有效解决区间隧道潮湿环境的金属锈蚀问题及区间隧道各种设备产生的电化学腐蚀问题，且能减少运营维护的工作量。

2.5 交通工程

（1）复合材料踏步盲道板

复合材料踏步盲道板（见图12）不仅对普通乘客有一定的的警示提醒作用，而且对盲人乘客的引导和提示作用十分有效。利用SMC片材的良好着色性，可制成多种与车站色彩和谐的盲道板。

图7 复合材料码头防护桩

图8 复合材料板桩

图9 复合材料防船撞设施

图10 复合材料轨枕

图11 复合材料疏散平台

图12 复合材料踏步盲道板

（2）复合材料声屏障

目前，声屏障主要用于高速公路、高架道路、城市轻轨地铁等交通市政设施中的隔声降噪、控制交通噪声对附近城市区域的影响，也可用于工厂和其它噪声源的隔声降噪（见图13）。

（3）标牌、防眩板

采用新型复合材料的防眩板、标牌（见图14）质量轻、耐腐蚀性能好、耐老化、密封性能好的优点，能够满足室外工程项目中各种恶劣环境和场所的需要；外表美观，可制成各种颜色；字迹图案清晰，显示效果好；重量轻，便于运输安装，可大大减轻劳动强度；防偷盗，同时复合材料无回收价值，防盗性好。

图13 复合材料声屏障

图14 复合材料标牌

3 纤维复合材料应用展望

目前，我国交通建设领域纤维复合材料产业总体发展水平仍与发达国家有较大差距，产业发展面临一些亟待解决的问题，主要表现在纤维复合材料自主创新能力薄弱；产学研用相互脱节，产品推广应用困难，缺少重大项目的推广应用；交通领域纤维复合材料产业缺乏统筹规划和政策引导，研发投入少且分散；缺乏完善的行业规范标准。纤维复合材料本身应用在交通建设领域中时存在弹性模量低、长期耐温性差、易老化、层间剪切强度低、造价较高、构件间连接复杂等问题尚需解决。因此认为还应进行以下几个方面的研究工作：

（1）纤维复合材料性能的提升研究。复合材料在交通建设中应用存在几个劣势，弹性模量低、长期耐温性差、老化现象、层间剪切强度低、造价较高，为了进一步推广应用纤维复合材料，需要进行材料的改进研究。

（2）复合材料设计规范及标准的制定。目前国家已发布的复合材料材料相关的国家标准大多是针对材料本身的，缺少交通行业的设计相关标准，往往使得设计人员将复合材料应用在交通建设领域时遇到困难，限制了复合材料的应用。

（3）专业产品质量检测机构。交通建设工程往往涉及到巨大的经济投入，因此确保其使用产品的质量满足规定要求极为重要，目前还没有专门针对交通行业纤维复合材料的专业产品检测机构，还处于空白阶段。

4 结语

随着经济的快速发展和科技的飞速进步，纤维复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、耐久性好、多功能、可设计、易加工等优点，获得了世界各地交通建设者的青睐，在特殊环境工程、永久性工程、结构修复加固等应用中将发挥其巨大的优越性。

［1］沃丁柱.复合材料大全［M］.北京:化学工业出版社，2000.

［2］黄家康.复合材料成型技术［M］.北京:化学工业出版社，1999.

［3］万水，胡红，周荣星.FRP桥面板结构特点与实例［J］.南京理工大学学报（自然科学版），2005，29（1）：17-21.

［4］冯鹏，叶列平.FRP材料及结构在桥梁工程中的新应用［C］∥第七届全国桥梁学术会议论文集,上海:同济大学出版社，2002：555-560.

［5］邓宗才，杜修力，裴杰.预应力FRP板加固混凝土结构研究进展［J］.建筑技术开发，2005，32（3）：137-140.

［6］赵荣海.FRP筋的特点及其在土木工程中的应用［J］.海峡科学，2008（11）：67-69.

［7］计国庆.玻璃钢复合材料应用于道路护栏的可行性研究［J］.城市道桥与防洪，2006（4）：49-50.

［8］张建强，刘伟庆，方海，等.设置新型复合材料防撞装置的车-桥碰撞数值模拟［J］.中外公路，2011，31（6）：200-204.