位于密歇根州Southfield市的劳伦斯理工大学(LTU)采用碳纤维增强复合材料索替代钢筋作为混凝土桥梁的增强体,开展了相关研究。该项目被美国国家公路与交通官员协会评为2020年最具价值的16大项目(Sweet 16)。

该项目1988年启动,由MDOT和LTU工程学院院长 Nabil Grace 主持开展,并于2001年在Southfield的桥梁街建成了美国第一座碳纤维强化桥梁。之后,密歇根州兴建了包括1—75,Gratiot Avenue和八英里大道在内的十多座碳纤维强化桥梁。

作为公路桥梁加固和对混凝土施加预应力的常规材料,钢材在暴露于极端温度、潮湿和除冰化学品环境时容易腐蚀和变质。碳纤维索的抗拉强度与钢材相当,尽管其前期成本可能更高,但其耐腐蚀性更强,服役过程中所需的维护也更少。

在桥梁领域， CFRP表现良好,但对其长期耐久性特性的理解还不深人,”MDOT桥梁结构局桥梁总工程师兼主管Matthew Chynoweth表示。

这项研究在LTU的创新材料研发中心进行,在过去的四年中,碳纤维部件在这里接受了同时施加火焰和载荷的300次冷热循环、恶劣天气及其他各种性能测试。

即使在模拟密歇根州恶劣天气的测试条件下，CFRP也表现出色,潮湿、雨水、冻雨和极端温度变化都未能对其强度和其他力学性能造成影响。测试结果表明,目前业内接受的性能指标已经过于保守,可以更新了。

该项目的目标是开发出服役寿命超过100年的桥梁。还给出了使用指南、建议和设计实例,供工程师和设计师使用。促使日本CFRP供应商Tokyo Rope在Canton镇建立了工厂。由于事先在碳纤维桥梁中植入了传感器,因此传感器可以实时地对桥梁的位移和应力状况进行监测。

碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic）由经过碳化的丙烯纤维与环氧树脂热固而成,是一种典型的复合材料,具有轻密度、高比强度的特点。

一、CFRP存在的问题

1.碳纤维是由纤维和基体组成的二相或多相结构,是非均质和各向异性的,硬度高,钻头磨损严重,刀具耐用度很低。

2.孔加工质量极差。孔虽然被钻出,但完全没有金属材料孔那样完整规则的形状,并伴有撕裂、劈裂、起毛、分层等缺陷产生。

3.切屑多为粉尘,容易污染环境,危害人的健康;另外切屑的导电性易使电器设备和电网短路。

二、由 FRP所带来的影响

1.孔出口撕裂和起毛,撕裂发生在孔的出口侧的最表面一层,并沿孔出口侧最外层纤维方向扩展。

2.孔壁周围材料发生分层,分层指由层间应力或制造缺陷等引起的复合材料铺层之间的脱胶破坏现象,这里的分层指的是钻孔过程中主要由轴向力作用引起的孔壁周围材料发生的层间分离现象。

3.孔壁表面粗糙及微裂纹,碳纤维复合材料加工表面粗糙度与纤维方向及切削方向有关。切削表面可能存在过切、回弹、基体剥落等现象。

三、消弱CFRP影响所用的方法

1.控制切削用量分层因子——Fd与平均轴向力Fz之间,存在线性或分段线性的定量关系。而轴向力Fz是随进给量f的增加而增加的,因此,钻削碳纤维复合材料时,可以通过改变进给量f,把轴向力Fz保持在允许的范围内,就可以控制分层因子Fd,保证孔的加工质量。

2.选用合适钻型,采用合理工艺,钻孔出口面加垫板,可减小出口撕裂和分层。

3.钻削力——钻削碳纤维复合材料钻削力的来源主要有三方面:克服被加工材料弹性变形的抗力;克服被加工材料中纤维断裂和基体剪切的抗力;克服切屑对前刀面的摩擦阻力和后刀面与已加工表面间的摩擦阻力。

4.钻削温度——钻削碳纤维复合材料切削热的主要来源是纤维断裂和基体剪切所消耗的功,以及切屑对前刀面的摩擦和后刀面与己加工表面间的摩擦所消耗的功。其中以后刀面与己加工表面间摩擦产生的热最多。在通常钻削条件下,碳纤维复合材料的钻削温度一般不超过150~200℃。

四、碳纤维安全性能指标

CFRP的应用领域非常广泛,近年来,中国复合材料产业有了很大的进步,已成为碳纤维复合材料应用大国。但是我国大陆碳纤维长期依赖进口,受治于人,面对当前严峻的形势,需要我们共同努力。