合成材料：提高交通基礎(chǔ)設(shè)施耐久性 德國(guó)開(kāi)發(fā)新技術(shù)

• 2018年12月27日 WangYu來(lái)源：中國(guó)紡織網(wǎng) 231 7
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  竹炭紡織品行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)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(guó)、臺(tái)灣、以及許多竹產(chǎn)地，「以竹代木」是一個(gè)新興...

瀝青混凝土路面在車(chē)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(shí)間逐漸衰減，易產(chǎn)生龜裂、縱橫向裂縫、車(chē)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(chē)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(shí)間逐漸衰減，易產(chǎn)生龜裂、縱橫向裂縫、車(chē)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(chē)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(jiǎn)稱玻纖格柵)是選用無(wú)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(guò)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(chē)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(guò)吸收瀝青材料后形成的一個(gè)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(zhǎng)路面使用壽命。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了玻纖格柵和聚酯玻纖布對(duì)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(duì)比分析了無(wú)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(guò)小梁低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)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(jí)配瀝青混合料，作為對(duì)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(chē)轍板，為了符合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，先制作一個(gè)車(chē)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(chē)轍板。車(chē)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(shí)注意土工材料位于車(chē)轍板中部。試驗(yàn)采用微控電子萬(wàn)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(dòng)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(píng)價(jià)指標(biāo)：抗彎拉強(qiáng)度RB、破壞時(shí)的梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖及破壞時(shí)的彎曲勁度模量SB。

通過(guò)試驗(yàn)可以總結(jié)出：各種路面結(jié)構(gòu)類(lèi)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(huì)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(guò)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(shí)，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(shuō)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(chē)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(chē)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(dòng)車(chē)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(dòng)記錄。

試驗(yàn)通過(guò)板塊狀試件與車(chē)輪之間的反復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使試件在車(chē)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(dòng)而形成轍槽，以轍槽的深度RD(mm)和動(dòng)穩(wěn)定度DS(每產(chǎn)生1mm轍槽所需碾壓次數(shù))來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動(dòng)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(chē)轍深度大小依次為2#>1#>4#>3#，動(dòng)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(chē)轍深度，增大其動(dòng)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(dòng)、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(huì)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(yǔ)

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(chē)轍性;低強(qiáng)度玻纖格柵做加筋材料，對(duì)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(guó)開(kāi)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(guó)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(guó)法塞爾學(xué)院合作，開(kāi)發(fā)了一系列連接鋁與碳纖維材料的新技術(shù)。通過(guò)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(shí)，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(duì)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(lái)減輕重量，同時(shí)會(huì)永久防止接觸腐蝕的問(wèn)題。

在新開(kāi)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(huì)開(kāi)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(huì)影響塑料的性能。因此，在通過(guò)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(shí)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(guò)程獲得的連接強(qiáng)度有20MPa。

在汽車(chē)、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(duì)混合材料的需求很高。對(duì)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(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)從飛機(jī)制造中選擇一個(gè)大量安裝的支架進(jìn)行可行性研究。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步開(kāi)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(gè)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(duì)混合鑄造領(lǐng)域的研究，德國(guó)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(gè)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(guó)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(guó)鑄造技術(shù)領(lǐng)域最大的校外研究機(jī)構(gòu)。

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