合成材料：提高交通基础设施耐久性 德国开发新技术

土工合成材料提高交通基础设施耐久性

沥青混凝土路面在车辆荷载和自然环境等因素的作用下，其中沥青混合料的物理、力学性能随时间逐渐衰减，易产生龟裂、纵横向裂缝、车辙等路面病害。

基于土工合成材料整体性强、抗拉强度高、高温性能稳定、耐久性好等优良的工程特性，在沥青混凝土面层中采用土工合成材料加筋技术可显著提高沥青路面的抗疲劳寿命、抗反射裂缝和抗高温车辙能力等。因此，采用土工合成材料加筋技术已经成为改善提升沥青混凝土路面性能的一种有效方法。

玻璃纤维土工格栅(简称玻纤格栅)是选用无碱玻纤纱，利用先进经编机织成基材，采用经编定向结构，并经过改性沥青涂覆处理而成的平面网络状材料。可充分利用织物中纱线强力，改善其力学性能，使其具有良好的抗拉强度、抗撕裂强度和耐蠕变性能。由于其与沥青混合料具有很高的相容性，与沥青混合料复合后可充分保护玻纤基材，提高基材的耐磨性及抗剪切能力，提升路面抵抗裂缝、车辙等病害的能力。

聚酯玻纤布是一种新型玻纤复合防裂材料，由玻璃纤维和聚酯纤维组成的一种复合土工合成材料，融合了玻璃纤维的强度和聚酯纤维的柔韧性、与沥青混合料有良好的相容性等特点。它通过吸收沥青材料后形成的一个结构层，具有防水耐热和耐腐的物理特性，并具有膨胀系数低、韧性好、耐蠕变性能、便于施工;其与沥青混合料层复合后能提高其低温抗裂性、抗疲劳性、抗反射性能，从而延长路面使用寿命。

通过室内试验研究了玻纤格栅和聚酯玻纤布对沥青路面低温抗裂性和高温稳定性的改善提高。试验对比分析了无加筋层、加筋两种不同强度的玻纤土工格栅和加筋聚酯玻纤布后的路面性能。

试验所采用的玻纤格栅抗拉强度分别为50kN/m、20kN/m，聚酯玻纤布抗拉强度为8kN/m。

1低温抗裂试验

1.1试验方案

通过小梁低温弯曲试验来评价加筋路面的低温抗裂性能。试验采用AC-13和AC-20两种级配沥青混合料，作为对比设计了纯沥青混合料、高强度玻纤格栅复合沥青混合料、低强度玻纤格栅复合沥青混合料及聚酯玻纤布复合沥青混合料四种结构形式(图1)。根据《公路沥青及沥青混合料试验规程》先碾压成型300mm×300mm×50mm车辙板，为了符合施工现场实际情况，先制作一个车辙板试件而后在其上铺设土工合成材料，再在其上制作车辙板。车辙板成型完成后，隔日脱模后切割成250mm×35mm×30mm小梁试件，切割时注意土工材料位于车辙板中部。试验采用微控电子万能材料试验机，试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min，试验数据由试验机自动记录。

1.2试验结果分析

根据试验结果计算其评价指标：抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏时的弯曲劲度模量SB。

通过试验可以总结出：各种路面结构类型小梁的弯拉强度指标：3#>4#>1#>2#;弯拉应变指标：3#>4#>1#>2#;劲度模量指标：2#>3#>1#>4#。加铺高强度玻纤格栅及聚酯玻纤布后试件抗弯拉强度及弯拉应变均提高，只有聚酯玻纤布加筋路面结构弯曲劲度模量减小。3#试样的弯曲劲度模量较1#试样增加了6.8%，而4#的弯曲劲度模量比1#试样减小了6.0%。由此可知，在抗低温裂缝方面聚酯玻纤布比玻纤格栅加筋效果会更好一些。

沥青混凝土路面材料的脆性由于土工合成材料的韧性而得到缓解，土工合成材料铺设在沥青面层中，提高了面层内的横向拉伸强度。当试件底部拉应力超过沥青混凝土拉伸强度后底层出现裂缝，裂缝延伸到土工合成材料处时，由于土工合成材料的存在改变了裂缝尖端的受力状况，使得应力集中得到分散，限制了裂缝的扩展。说明土工合成材料加筋路面具有良好的韧性，即低温抗裂能力。

2高温抗车辙试验

2.1试验方案

试验采用上层为AC-13、下层为AC-20材料，试样尺寸为300mm×300mm×100mm车辙板，试样制备方法与小梁弯曲试验相同。试验采用双轮自动车辙试验仪，试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，试验数据由试验机自动记录。

试验通过板块状试件与车轮之间的反复相对运动，使试件在车轮的重复荷载作用下，在规定的温度条件下，产生压密、剪切、推移和流动而形成辙槽，以辙槽的深度RD(mm)和动稳定度DS(每产生1mm辙槽所需碾压次数)来评价沥青混合料在规定温度下抵抗塑性流动变形的能力。

2.2试验结果分析

根据试验结果(图2)可以看出：路面中加入土工合成材料后，车辙深度大小依次为2#>1#>4#>3#，动稳定度大小依次为3#>4#>2#>1#。因此，加入高强度玻纤格栅或聚酯玻纤布后可明显减小车辙深度，增大其动稳定度。

采用一定强度玻纤格栅加筋沥青混凝土可显著提高沥青路面的高温稳定性。加入玻纤格栅后，格栅与沥青混合料之间由于网孔产生的相互嵌锁作用限制了集料的移动、抑制了塑性变形的累积，从而保持了矿质骨架的稳定。聚酯玻纤布会降低面层之间的结合力，与沥青混合料的整体性结合弱于玻纤格栅。

3结束语

分析上述试验结果可得到如下结论：玻纤格栅和聚酯玻纤布加筋均能提高路面的低温抗裂性和高温抗车辙性;低强度玻纤格栅做加筋材料，对沥青混凝土路面的性能改善不明显;玻纤格栅加筋路面的高温稳定性优于聚酯玻纤布加筋路面;玻纤格栅加筋路面的低温抗裂性劣于聚酯玻纤布加筋路面。

德国开发碳纤维复合材料铝轻质材料连接的新技术

基于流行的轻质建筑的概念，由轻质金属和纤维复合材料组成的连接件代表了理想的材料组合的方式。然而，由于两种材料表现出不同的电化学电位，在复合材料中存在接触腐蚀的危险。在DFG研究项目中，德国弗劳恩霍夫研究院先进材料与制造技术研究所与德国法塞尔学院合作，开发了一系列连接铝与碳纤维材料的新技术。通过在碳纤维复合材料构件上加置耐温保护层，可以防止复合材料中的电化学腐蚀的发生。同时，这一保护层也确保了牢固的连接性。

纤维复合材料和轻质材料的结合对所有已有的连接技术提出了新的挑战。除了需要保持高的连接强度外，连接本身不应增加任何额外的重量，两种材料都必须防止接触腐蚀的发生。除了粘结或铆接的组合连接方式外，这里提出的混合高压压铸提供了一种新的方法来减轻重量，同时会永久防止接触腐蚀的问题。

在新开发的工艺中，浇注之前，碳纤维材料结构涂覆有高温稳定的塑料(PEEK)，直到达到大约550℃的温度，PEEK才会开始显著分解。在后续的铸造工艺步骤中，将碳纤维复合材料组件放入高压铸造模具中，并在700℃左右的温度下，在塑料区域内铸造铝。尽管存在温度差异，选择合适的工艺和材料参数，塑料可以集成到高压铸造工艺中，而不会影响塑料的性能。因此，在通过铸造铝部件初始期间，两种材料之间建立了稳定的连接。因此，不需要耗时的加工步骤或接合表面的预处理。为了进一步提高强度，可以在接合区中选择性地制造切口。与粘合剂连接的结构相比，这一过程获得的连接强度有20MPa。

在汽车、航空航天、风能和体育设备等许多领域以及传统机械结构中，对混合材料的需求很高。对于大需求量生产，需要高效率的系列化制造。

为了满足这些需求，开发团队从飞机制造中选择一个大量安装的支架进行可行性研究。开发团队的目标是进一步开发基于该组件的混合铸造技术，为铝高压铸造提供一个新的工艺窗口，以便能够大量实现碳纤维复合材料和铝之间的混合连接，实现系列化生产。

针对混合铸造领域的研究，德国弗劳恩霍夫研究院先进材料与制造技术研究所有两个高压铸造设备以及工业系列生产规模的周边设备。有了这些设施，德国弗劳恩霍夫研究院先进材料与制造技术研究所将成为德国铸造技术领域最大的校外研究机构。