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幾十年來(lái)，密歇根州交通部（MDOT）聯(lián)合當(dāng)?shù)卮髮W(xué)一直致力于采用新材料技術(shù)將高速公路橋梁的服役壽命延長(zhǎng)一倍，該項(xiàng)目被公認(rèn)為美國(guó)16個(gè)具價(jià)值的交通研究項(xiàng)目之一。
位于密歇根州Southfield市的勞倫斯理工大學(xué)（LTU）采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料索替代鋼筋作為混凝土橋梁的增強(qiáng)體，開展了相關(guān)研究。該項(xiàng)目被美國(guó)公路與交通官員協(xié)會(huì)評(píng)為2020年具價(jià)值的16大項(xiàng)目（Sweet 16）。
該項(xiàng)目1988年啟動(dòng)，由MDOT和LTU工程學(xué)院院長(zhǎng)Nabil Grace主持開展，并于2001年在Southfield的橋梁街建成了美國(guó)座碳纖維強(qiáng)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(nèi)的十多座碳纖維強(qiáng)化橋梁。
作為公路橋梁加固和對(duì)混凝土施加預(yù)應(yīng)力的常規(guī)材料，鋼材在暴露于極端溫度、潮濕和除冰化學(xué)品環(huán)境時(shí)容易腐蝕和變質(zhì)。碳纖維索的抗拉強(qiáng)度與鋼材相當(dāng)，盡管其前期成本可能更高，但其耐腐蝕性更強(qiáng)，服役過(guò)程中所需的維護(hù)也更少。
“在橋梁領(lǐng)域，CFRP表現(xiàn)良好，但對(duì)其長(zhǎng)期耐久性特性的理解還不深入,”MDOT橋梁結(jié)構(gòu)局橋梁總工程師兼主管Matthew Chynoweth表示。
這項(xiàng)研究在LTU的創(chuàng)新材料研發(fā)中心進(jìn)行，在過(guò)去的四年中，碳纖維部件在這里接受了同時(shí)施加火焰和載荷的300次冷熱循環(huán)、惡劣天氣及其他各種性能測(cè)試。
即使在模擬密歇根州惡劣天氣的測(cè)試條件下，CFRP也表現(xiàn)出色，潮濕、雨水、凍雨和極端溫度變化都未能對(duì)其強(qiáng)度和其他力學(xué)性能造成影響。測(cè)試結(jié)果表明，目前業(yè)內(nèi)接受的性能指標(biāo)已經(jīng)過(guò)于保守，可以更新了。
該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)出服役壽命超過(guò)100年的橋梁。
該項(xiàng)目還給出了使用指南、建議和設(shè)計(jì)實(shí)例，供工程師和設(shè)計(jì)師使用。
該項(xiàng)目促使日本CFRP供應(yīng)商Tokyo Rope在Canton鎮(zhèn)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(shí)時(shí)地對(duì)橋梁的位移和應(yīng)力狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。