位于密歇根州Southfield市的勞倫斯理工大學(LTU)采用碳纖維增強復合材料索替代鋼筋作為混凝土橋梁的增強體,開展了相關研究。該項目被美國公路與交通官員協會評為2020年具價值的16大項目(Sweet 16)。
該項目1988年啟動,由MDOT和LTU工程學院院長Nabil Grace主持開展,并于2001年在Southfield的橋梁街建成了美國座碳纖維強化橋梁。之后,密歇根州興建了包括I-75,Gratiot Avenue和八英里大道在內的十多座碳纖維強化橋梁。
作為公路橋梁加固和對混凝土施加預應力的常規材料,鋼材在暴露于極端溫度、潮濕和除冰化學品環境時容易腐蝕和變質。碳纖維索的抗拉強度與鋼材相當,盡管其前期成本可能更高,但其耐腐蝕性更強,服役過程中所需的維護也更少。
“在橋梁領域,CFRP表現良好,但對其長期耐久性特性的理解還不深入,”MDOT橋梁結構局橋梁總工程師兼主管Matthew Chynoweth表示。
這項研究在LTU的創新材料研發中心進行,在過去的四年中,碳纖維部件在這里接受了同時施加火焰和載荷的300次冷熱循環、惡劣天氣及其他各種性能測試。
即使在模擬密歇根州惡劣天氣的測試條件下,CFRP也表現出色,潮濕、雨水、凍雨和極端溫度變化都未能對其強度和其他力學性能造成影響。測試結果表明,目前業內接受的性能指標已經過于保守,可以更新了。
該項目的目標是開發出服役壽命超過100年的橋梁。
該項目還給出了使用指南、建議和設計實例,供工程師和設計師使用。
該項目促使日本CFRP供應商Tokyo Rope在Canton鎮建立了工廠。由于事先在碳纖維橋梁中植入了傳感器,因此傳感器可以實時地對橋梁的位移和應力狀況進行監測。