道路復(fù)合材料防撞護(hù)欄研究進(jìn)展①

摘 要：防撞護(hù)欄在事故發(fā)生時(shí)是一種能有效減小傷亡的安全措施。本文主要介紹了道路護(hù)欄的分類及防撞作用機(jī)理，同時(shí)分析了幾種常見(jiàn)的復(fù)合材料護(hù)欄（玻璃鋼護(hù)欄、PVC護(hù)欄、PP護(hù)欄、PE護(hù)欄）的研究現(xiàn)狀，技術(shù)性能及應(yīng)用特點(diǎn)，推測(cè)了今后道路防撞護(hù)欄的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 公路防撞護(hù)欄 玻璃鋼

中圖分類號(hào)：U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0123-02

隨著我國(guó)高速公路的迅速發(fā)展，防撞護(hù)欄作為道路安全的一種有效方式，引起廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)防撞護(hù)欄在碰撞過(guò)程吸能較差，在設(shè)計(jì)上對(duì)乘員的安全考慮較少，造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用偏高，以及難于回收利用，難以滿足防撞護(hù)欄發(fā)展的需求。防撞護(hù)欄除了結(jié)構(gòu)上不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以通過(guò)采用新材料及其復(fù)合新技術(shù)提高護(hù)欄材料性能[1]。因此，復(fù)合材料應(yīng)用于道路防撞護(hù)欄的研究與應(yīng)用越來(lái)越受到廣泛地關(guān)注。

1 防撞護(hù)欄的分類及防撞機(jī)理

防撞護(hù)欄一般是安裝在公路兩側(cè)或中央分隔帶內(nèi)與公路平行設(shè)置的攔阻設(shè)施，通過(guò)自體變形或車輛爬高來(lái)吸收碰撞能量防止汽車司機(jī)失誤或其他原因造成的非正常行駛車輛越出公路或穿越中央分隔帶而闖入對(duì)向車道的交通事故發(fā)生，保護(hù)路側(cè)行人、建筑物、汽車司機(jī)和車上乘員安全，同時(shí)兼有誘導(dǎo)駕駛員視線、增加行車安全感和美化公路環(huán)境的作用[2]。根據(jù)碰撞后的變形特征，可以分為剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄、柔性護(hù)欄[3]。

剛性護(hù)欄是一種基本不變形的護(hù)欄結(jié)構(gòu)，以混凝土護(hù)欄為主（圖1）。碰撞時(shí)護(hù)欄基本不變形不移動(dòng)，碰撞過(guò)程中的能量主要是依靠汽車與護(hù)欄面接觸并沿著護(hù)欄面爬高和轉(zhuǎn)向來(lái)吸收，同時(shí)碰撞汽車也恢復(fù)到正常行駛方向。剛性護(hù)欄主要設(shè)置在需要嚴(yán)格阻止車輛越出路外，以免引起二次事故的路段，對(duì)保障乘員安全性要求較低。

半剛性護(hù)欄是一種連續(xù)的梁柱結(jié)構(gòu)。通過(guò)車輛與護(hù)欄間的摩擦、車輛與地面的摩擦及車輛、土基和護(hù)欄產(chǎn)生一定量的的彈、塑性變形來(lái)吸收碰撞能量，延長(zhǎng)碰撞過(guò)程的作用時(shí)間來(lái)降低車輛速度，并迫使失控車輛改變行駛方向，回復(fù)到正常的行駛方向。半剛性護(hù)欄對(duì)乘員保護(hù)較好，梁柱式的半剛性護(hù)欄分為W型波形梁護(hù)欄、三波波形梁護(hù)欄、管梁護(hù)欄、箱梁護(hù)欄等。國(guó)內(nèi)外對(duì)波形梁護(hù)欄的應(yīng)用最廣泛。如圖2所示。

柔性護(hù)欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護(hù)欄結(jié)構(gòu)，圖3。主要依靠纜索的拉應(yīng)力來(lái)抵抗汽車的碰撞，吸收碰撞能量。護(hù)欄的形式美觀，汽車行駛時(shí)沒(méi)有壓迫感，但視線誘導(dǎo)效果差。此種護(hù)欄適用于我國(guó)的北方地區(qū)，春季風(fēng)沙、冬季大雪，使用柔性護(hù)欄可以減少清掃工作量，具有社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 復(fù)合材料護(hù)欄

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。相比傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，使其成為新一代公路防撞護(hù)欄的最理想選材，代表了護(hù)欄研制的發(fā)展方向。

2.1 玻璃鋼護(hù)欄

玻璃鋼又稱為纖維增強(qiáng)塑料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐老化、工藝性好、維修費(fèi)用低、易著色等優(yōu)良特性，但剛性較差，是道路護(hù)欄的理想材料，同時(shí)性價(jià)比的提高，使玻璃鋼護(hù)欄擁有良好的前景[4]。

國(guó)外在20世紀(jì)出開(kāi)發(fā)了玻璃鋼并將其應(yīng)用于道路護(hù)欄，R.P.Bligh[5]等總結(jié)了了美國(guó)W-玻璃纖維增強(qiáng)HDPE等可回收塑料制作的護(hù)欄立柱。國(guó)外也有一些關(guān)于玻璃鋼護(hù)欄的專利和文獻(xiàn)[6-7]。

國(guó)內(nèi)發(fā)展起步較晚，但發(fā)展速度迅速，2004年我國(guó)玻璃鋼產(chǎn)量已接近世界產(chǎn)量第一的美國(guó)達(dá)到了174t，陳紅霞[8]等，采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料制備護(hù)欄材料，比較了第一代玻璃纖維增強(qiáng)的乙烯樹(shù)脂護(hù)欄（CGR1～CGR6）與鋼波形梁材料的靜態(tài)試驗(yàn)（圖4），以及第二代產(chǎn)品（CGR10、CGR12）的碰撞穩(wěn)定性試驗(yàn)（圖5），發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)塑料護(hù)欄承載能力與鋼波形梁護(hù)欄接近。目前，玻璃鋼材質(zhì)的防撞護(hù)欄在上海外環(huán)線浦東段得到了應(yīng)用，該成果獲得上海市市政工程金獎(jiǎng)、中國(guó)市政工程金杯獎(jiǎng)[9]。

2.2 PVC護(hù)欄

PVC護(hù)欄是90年代初從韓國(guó)首先發(fā)展起來(lái)的護(hù)欄系列產(chǎn)品，最近幾年迅速風(fēng)靡歐、美、日、澳等國(guó)，大有取代傳統(tǒng)鋼、鐵護(hù)欄的趨勢(shì)[10]。PVC護(hù)欄也叫做塑鋼護(hù)欄，是以PVC塑料外殼與其內(nèi)置鋼筋、鋼絞線組成的復(fù)合材料，共同參與受力。PVC護(hù)欄具有以下特點(diǎn)：堅(jiān)固耐用，終身不需維護(hù)；性價(jià)比高，由于PVC原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，成型性能良好，相比與傳統(tǒng)護(hù)欄具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)；極強(qiáng)的裝飾和美化功能。

國(guó)外PVC護(hù)欄的應(yīng)用比較廣泛，涉及道路、建筑等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)PVC護(hù)欄應(yīng)用于道路護(hù)欄的研究較晚，王林[11]對(duì)17種不同截面的塑鋼護(hù)欄和W形波形梁鋼護(hù)欄的對(duì)比有限元靜力分析，生產(chǎn)出2種塑鋼護(hù)欄樣品，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)芴娲鶺形波形梁鋼護(hù)欄，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力實(shí)驗(yàn)。通過(guò)兩種不同截面的塑鋼護(hù)欄和W型波形梁鋼護(hù)欄的對(duì)比靜力實(shí)驗(yàn)，得出相對(duì)于W型波形梁鋼護(hù)欄，塑鋼護(hù)欄的破壞荷載較大，并且柔度好，具有市場(chǎng)推廣價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中，直接將PVC護(hù)欄應(yīng)用于道路防撞護(hù)欄較少，其材料組分從國(guó)外進(jìn)口，主要應(yīng)用于市政工程中對(duì)攔護(hù)要求不高的道路護(hù)欄中，其裝飾美化的作用；同時(shí)也應(yīng)用于社區(qū)、學(xué)校、工廠等建筑方面以及公園、河濱等公共場(chǎng)所。PVC護(hù)欄在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)，具有很好的研究和應(yīng)用價(jià)值。但是目前取得的成果還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)和生活需要。

2.3 PE護(hù)欄

PE護(hù)欄應(yīng)用最早，一般采用高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）。PE雖然具有良好的沖擊性，但強(qiáng)度偏低，在實(shí)際應(yīng)用中往往需要添加增強(qiáng)相。

K.Dutta Piyush[12]等研究了木纖維增強(qiáng)PE護(hù)欄的力學(xué)性能。采用可回收利用HDPE制備的公路護(hù)欄具有良好的吸收碰撞能量的能力，減少了車輛翻車的概率[13]。碳纖維含量對(duì)復(fù)合材料PE的強(qiáng)度、拉伸、疲勞等性能的極限值都有提高[14]。李漢初[15]研究結(jié)果表明PE護(hù)欄的沖擊性能與溫度、風(fēng)冷時(shí)間和模具有關(guān)，當(dāng)溫度為250 ℃、風(fēng)冷時(shí)間為30 min、模具連接處為圓弧時(shí)制的的護(hù)欄符合要求。

2.4 PP護(hù)欄

PP具有很好的抗彎曲疲勞能力，其剛度、強(qiáng)度相比PE高，但溫度對(duì)其沖擊強(qiáng)度影響較大，溫度低時(shí)沖擊強(qiáng)度也低[16]。

為提高其抗沖擊強(qiáng)度，普遍是將造紙廢漿泥作為填充制備PP塑料護(hù)欄。該技術(shù)是以PP為基體，填充劑采用造紙廢漿污泥，通過(guò)配方改性、熔融聚合制成環(huán)境友好的新材料，是解決造紙污染的一種有效方法。。這種復(fù)合新材料強(qiáng)度與傳統(tǒng)鋼、鐵護(hù)欄相近，耐久性、抗沖擊性等指標(biāo)較好，可回收利用，可應(yīng)用于道路護(hù)欄[17]。

2.5 其他復(fù)合材料護(hù)欄

除了以上幾種研究和應(yīng)用較多的復(fù)合材料護(hù)欄外，其他復(fù)合材料護(hù)欄還有聚碳酸酯（PC）、PS和聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）護(hù)欄。這幾種護(hù)欄在應(yīng)用方面很少，國(guó)內(nèi)在相關(guān)文獻(xiàn)和專利幾乎沒(méi)有，國(guó)外對(duì)這方面的成果也不多，因此亟待開(kāi)發(fā)研究。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料護(hù)欄作為一種新型的護(hù)欄，相比傳統(tǒng)護(hù)欄具有較大的塑性、抗腐蝕能力強(qiáng)、節(jié)約資源、性價(jià)比高等特點(diǎn)。復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但是也存在缺陷，所以在應(yīng)用中不要局限單一復(fù)合材料護(hù)欄，可以在一定條件下，實(shí)現(xiàn)多種復(fù)合材料組合，彌補(bǔ)單一材料的缺陷，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如可以將PP與PE共混來(lái)改善PE護(hù)欄的力學(xué)性能。開(kāi)發(fā)和推廣新型復(fù)合材料道路護(hù)欄將是未來(lái)道路護(hù)欄的發(fā)展方向。

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