合成材料：提高交通基礎(chǔ)設(shè)施耐久性 德國開發(fā)新技術(shù)

• 2018年12月27日 WangYu來源：中國紡織網(wǎng) 231 7
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  竹炭紡織品行業(yè)競爭形勢嚴(yán)峻，合理布局才能立于不敗，否則將被淘汰！

  竹炭是古老的材料，現(xiàn)代科技賦予它新生命，躍身為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境清道夫，竹炭與紡織品的結(jié)合，正是科技回歸自然最佳典范。目前在中國、臺灣、以及許多竹產(chǎn)地，「以竹代木」是一個新興...

瀝青混凝土路面在車輛荷載和自然環(huán)境等因素的作用下，其中瀝青混合料的物理、力學(xué)性能隨時間逐漸衰減，易產(chǎn)生龜裂、縱橫向裂縫、車轍等路面病害。

土工合成材料提高交通基礎(chǔ)設(shè)施耐久性

瀝青混凝土路面在車輛荷載和自然環(huán)境等因素的作用下，其中瀝青混合料的物理、力學(xué)性能隨時間逐漸衰減，易產(chǎn)生龜裂、縱橫向裂縫、車轍等路面病害。

基于土工合成材料整體性強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高、高溫性能穩(wěn)定、耐久性好等優(yōu)良的工程特性，在瀝青混凝土面層中采用土工合成材料加筋技術(shù)可顯著提高瀝青路面的抗疲勞壽命、抗反射裂縫和抗高溫車轍能力等。因此，采用土工合成材料加筋技術(shù)已經(jīng)成為改善提升瀝青混凝土路面性能的一種有效方法。

玻璃纖維土工格柵(簡稱玻纖格柵)是選用無堿玻纖紗，利用先進(jìn)經(jīng)編機(jī)織成基材，采用經(jīng)編定向結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過改性瀝青涂覆處理而成的平面網(wǎng)絡(luò)狀材料?？沙浞掷每椢镏屑喚€強(qiáng)力，改善其力學(xué)性能，使其具有良好的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度和耐蠕變性能。由于其與瀝青混合料具有很高的相容性，與瀝青混合料復(fù)合后可充分保護(hù)玻纖基材，提高基材的耐磨性及抗剪切能力，提升路面抵抗裂縫、車轍等病害的能力。

聚酯玻纖布是一種新型玻纖復(fù)合防裂材料，由玻璃纖維和聚酯纖維組成的一種復(fù)合土工合成材料，融合了玻璃纖維的強(qiáng)度和聚酯纖維的柔韌性、與瀝青混合料有良好的相容性等特點(diǎn)。它通過吸收瀝青材料后形成的一個結(jié)構(gòu)層，具有防水耐熱和耐腐的物理特性，并具有膨脹系數(shù)低、韌性好、耐蠕變性能、便于施工;其與瀝青混合料層復(fù)合后能提高其低溫抗裂性、抗疲勞性、抗反射性能，從而延長路面使用壽命。

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了玻纖格柵和聚酯玻纖布對瀝青路面低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性的改善提高。試驗(yàn)對比分析了無加筋層、加筋兩種不同強(qiáng)度的玻纖土工格柵和加筋聚酯玻纖布后的路面性能。

試驗(yàn)所采用的玻纖格柵抗拉強(qiáng)度分別為50kN/m、20kN/m，聚酯玻纖布抗拉強(qiáng)度為8kN/m。

1低溫抗裂試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)方案

通過小梁低溫彎曲試驗(yàn)來評價(jià)加筋路面的低溫抗裂性能。試驗(yàn)采用AC-13和AC-20兩種級配瀝青混合料，作為對比設(shè)計(jì)了純?yōu)r青混合料、高強(qiáng)度玻纖格柵復(fù)合瀝青混合料、低強(qiáng)度玻纖格柵復(fù)合瀝青混合料及聚酯玻纖布復(fù)合瀝青混合料四種結(jié)構(gòu)形式(圖1)。根據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》先碾壓成型300mm×300mm×50mm車轍板，為了符合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，先制作一個車轍板試件而后在其上鋪設(shè)土工合成材料，再在其上制作車轍板。車轍板成型完成后，隔日脫模后切割成250mm×35mm×30mm小梁試件，切割時注意土工材料位于車轍板中部。試驗(yàn)采用微控電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自動記錄。

1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其評價(jià)指標(biāo)：抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時的梁底最大彎拉應(yīng)變εB及破壞時的彎曲勁度模量SB。

通過試驗(yàn)可以總結(jié)出：各種路面結(jié)構(gòu)類型小梁的彎拉強(qiáng)度指標(biāo)：3#>4#>1#>2#;彎拉應(yīng)變指標(biāo)：3#>4#>1#>2#;勁度模量指標(biāo)：2#>3#>1#>4#。加鋪高強(qiáng)度玻纖格柵及聚酯玻纖布后試件抗彎拉強(qiáng)度及彎拉應(yīng)變均提高，只有聚酯玻纖布加筋路面結(jié)構(gòu)彎曲勁度模量減小。3#試樣的彎曲勁度模量較1#試樣增加了6.8%，而4#的彎曲勁度模量比1#試樣減小了6.0%。由此可知，在抗低溫裂縫方面聚酯玻纖布比玻纖格柵加筋效果會更好一些。

瀝青混凝土路面材料的脆性由于土工合成材料的韌性而得到緩解，土工合成材料鋪設(shè)在瀝青面層中，提高了面層內(nèi)的橫向拉伸強(qiáng)度。當(dāng)試件底部拉應(yīng)力超過瀝青混凝土拉伸強(qiáng)度后底層出現(xiàn)裂縫，裂縫延伸到土工合成材料處時，由于土工合成材料的存在改變了裂縫尖端的受力狀況，使得應(yīng)力集中得到分散，限制了裂縫的擴(kuò)展。說明土工合成材料加筋路面具有良好的韌性，即低溫抗裂能力。

2高溫抗車轍試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用上層為AC-13、下層為AC-20材料，試樣尺寸為300mm×300mm×100mm車轍板，試樣制備方法與小梁彎曲試驗(yàn)相同。試驗(yàn)采用雙輪自動車轍試驗(yàn)儀，試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)自動記錄。

試驗(yàn)通過板塊狀試件與車輪之間的反復(fù)相對運(yùn)動，使試件在車輪的重復(fù)荷載作用下，在規(guī)定的溫度條件下，產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動而形成轍槽，以轍槽的深度RD(mm)和動穩(wěn)定度DS(每產(chǎn)生1mm轍槽所需碾壓次數(shù))來評價(jià)瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動變形的能力。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖2)可以看出：路面中加入土工合成材料后，車轍深度大小依次為2#>1#>4#>3#，動穩(wěn)定度大小依次為3#>4#>2#>1#。因此，加入高強(qiáng)度玻纖格柵或聚酯玻纖布后可明顯減小車轍深度，增大其動穩(wěn)定度。

采用一定強(qiáng)度玻纖格柵加筋瀝青混凝土可顯著提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。加入玻纖格柵后，格柵與瀝青混合料之間由于網(wǎng)孔產(chǎn)生的相互嵌鎖作用限制了集料的移動、抑制了塑性變形的累積，從而保持了礦質(zhì)骨架的穩(wěn)定。聚酯玻纖布會降低面層之間的結(jié)合力，與瀝青混合料的整體性結(jié)合弱于玻纖格柵。

3結(jié)束語

分析上述試驗(yàn)結(jié)果可得到如下結(jié)論：玻纖格柵和聚酯玻纖布加筋均能提高路面的低溫抗裂性和高溫抗車轍性;低強(qiáng)度玻纖格柵做加筋材料，對瀝青混凝土路面的性能改善不明顯;玻纖格柵加筋路面的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于聚酯玻纖布加筋路面;玻纖格柵加筋路面的低溫抗裂性劣于聚酯玻纖布加筋路面。

德國開發(fā)碳纖維復(fù)合材料鋁輕質(zhì)材料連接的新技術(shù)

基于流行的輕質(zhì)建筑的概念，由輕質(zhì)金屬和纖維復(fù)合材料組成的連接件代表了理想的材料組合的方式。然而，由于兩種材料表現(xiàn)出不同的電化學(xué)電位，在復(fù)合材料中存在接觸腐蝕的危險(xiǎn)。在DFG研究項(xiàng)目中，德國弗勞恩霍夫研究院先進(jìn)材料與制造技術(shù)研究所與德國法塞爾學(xué)院合作，開發(fā)了一系列連接鋁與碳纖維材料的新技術(shù)。通過在碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件上加置耐溫保護(hù)層，可以防止復(fù)合材料中的電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。同時，這一保護(hù)層也確保了牢固的連接性。

纖維復(fù)合材料和輕質(zhì)材料的結(jié)合對所有已有的連接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。除了需要保持高的連接強(qiáng)度外，連接本身不應(yīng)增加任何額外的重量，兩種材料都必須防止接觸腐蝕的發(fā)生。除了粘結(jié)或鉚接的組合連接方式外，這里提出的混合高壓壓鑄提供了一種新的方法來減輕重量，同時會永久防止接觸腐蝕的問題。

在新開發(fā)的工藝中，澆注之前，碳纖維材料結(jié)構(gòu)涂覆有高溫穩(wěn)定的塑料(PEEK)，直到達(dá)到大約550℃的溫度，PEEK才會開始顯著分解。在后續(xù)的鑄造工藝步驟中，將碳纖維復(fù)合材料組件放入高壓鑄造模具中，并在700℃左右的溫度下，在塑料區(qū)域內(nèi)鑄造鋁。盡管存在溫度差異，選擇合適的工藝和材料參數(shù)，塑料可以集成到高壓鑄造工藝中，而不會影響塑料的性能。因此，在通過鑄造鋁部件初始期間，兩種材料之間建立了穩(wěn)定的連接。因此，不需要耗時的加工步驟或接合表面的預(yù)處理。為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，可以在接合區(qū)中選擇性地制造切口。與粘合劑連接的結(jié)構(gòu)相比，這一過程獲得的連接強(qiáng)度有20MPa。

在汽車、航空航天、風(fēng)能和體育設(shè)備等許多領(lǐng)域以及傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中，對混合材料的需求很高。對于大需求量生產(chǎn)，需要高效率的系列化制造。

為了滿足這些需求，開發(fā)團(tuán)隊(duì)從飛機(jī)制造中選擇一個大量安裝的支架進(jìn)行可行性研究。開發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步開發(fā)基于該組件的混合鑄造技術(shù)，為鋁高壓鑄造提供一個新的工藝窗口，以便能夠大量實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料和鋁之間的混合連接，實(shí)現(xiàn)系列化生產(chǎn)。

針對混合鑄造領(lǐng)域的研究，德國弗勞恩霍夫研究院先進(jìn)材料與制造技術(shù)研究所有兩個高壓鑄造設(shè)備以及工業(yè)系列生產(chǎn)規(guī)模的周邊設(shè)備。有了這些設(shè)施，德國弗勞恩霍夫研究院先進(jìn)材料與制造技術(shù)研究所將成為德國鑄造技術(shù)領(lǐng)域最大的校外研究機(jī)構(gòu)。

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