道路复合材料防撞护栏研究进展

道路复合材料防撞护栏研究进展
摘要：防撞护栏在事故发生时是一种能有效减小伤亡的安全措施。

本文主要介绍了道路护栏的分类及防撞作用机理，同时分析了几种常见的复合材料护栏（玻璃钢护栏、PVC护栏、PP护栏、PE护栏）的研究现状，技术性能及应用特点，推测了今后道路防撞护栏的发展方向。

关键词：复合材料公路防撞护栏玻璃钢
A review of road crash barrier made by composite materials
Abstract: Crash barrier is a security measures what can effectively reduce the the casualties, when the accident happened. This paper describes a the road guardrail classification and collision avoidance mechanism, summarizes the characteristics of several common composite fence (FRP fence, PVC fence, PP guardrail, PE barrier), current research and practical application.
Key words: Composite materials Road crash barrier Glass fiber reinforced plastics
随着我国高速公路的迅速发展，防撞护栏作为道路安全的一种有效方式,引起广泛关注。

传统防撞护栏在碰撞过程吸能较差，在设计上对乘员的安全考虑较少，造价及维护费用偏高，以及难于回收利用，
难以满足防撞护栏发展的需求。

防撞护栏除了结构上不断优化设计，还可以通过采用新材料及其复合新技术提高护栏材料性能[1]。

因此，复合材料应用于道路防撞护栏的研究与应用越来越受到广泛地关注。

1 防撞护栏的分类及防撞机理
防撞护栏一般是安装在公路两侧或中央分隔带内与公路平行设置的拦阻设施，通过自体变形或车辆爬高来吸收碰撞能量防止汽车司机失误或其他原因造成的非正常行驶车辆越出公路或穿越中央分隔带而闯入对向车道的交通事故发生，保护路侧行人、建筑物、汽车司机和车上乘员安全，同时兼有诱导驾驶员视线、增加行车安全感和美化公路环境的作用[2]。

根据碰撞后的变形特征，可以分为刚性护栏、半刚性护栏、柔性护栏[3]。

刚性护栏是一种基本不变形的护栏结构，以混凝土护栏为主（图1）。

碰撞时护栏基本不变形不移动，碰撞过程中的能量主要是依靠汽车与护栏面接触并沿着护栏面爬高和转向来吸收，同时碰撞汽车也恢复到正常行驶方向。

刚性护栏主要设置在需要严格阻止车辆越出路外，以免引起二次事故的路段，对保障乘员安全性要求较低。

半刚性护栏是一种连续的梁柱结构。

通过车辆与护栏间的摩擦、车辆与地面的摩擦及车辆、土基和护栏产生一定量的的弹、塑性变形来吸收碰撞能量，延长碰撞过程的作用时间来降低车辆速度，并迫使失控车辆改变行驶方向，回复到正常的行驶方向。

半刚性护栏对乘员保护较好，梁柱式的半刚性护栏分为W型波形梁护栏、三波波形梁护栏、管梁护栏、箱梁护栏等。

国内外对波形梁护栏的应用最广泛。

如图2所示。

柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏结构，图3。

主要依靠缆索的拉应力来抵抗汽车的碰撞，吸收碰撞能量。

护栏的形式美观，汽车行驶时没有压迫感，但视线诱导效果差。

此种护栏适用于我国的北方地区，春季风沙、冬季大雪，使用柔性护栏可以减少清扫工作量，具有社会和经济效益。

2 复合材料护栏
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

相比传统材料，复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，使其成为新一代公路防撞护栏的最理想选材，代表了护栏研制的发展方向。

2.1 玻璃钢护栏
玻璃钢又称为纤维增强塑料，具有轻质高强、耐老化、工艺性好、维修费用低、易着色等优良特性，但刚性较差，是道路护栏的理想材料,同时性价比的提高，使玻璃钢护栏拥有良好的前景[4]。

国外在20世纪出开发了玻璃钢并将其应用于道路护栏，R.P.Bligh[5]等总结了了美国W-玻璃纤维增强HDPE等可回收塑料制作的护栏立柱。

国外也有一些关于玻璃钢护栏的专利和文献[6-7]。

国内发展起步较晚，但发展速度迅速，2004年我国玻璃钢产量已接近世界产量第一的美国达到了174t，陈红霞[8]等，采用玻璃纤维增强复合塑料制备护栏材料，比较了第一代玻璃纤维增强的乙烯树脂护栏（CGR1～CGR6）与钢波形梁材料的静态试验（图4），以及
第二代产品（CGR10、CGR12）的碰撞稳定性试验（图5），发现纤维增强塑料护栏承载能力与钢波形梁护栏接近。

目前，玻璃钢材质的防撞护栏在上海外环线浦东段得到了应用，该成果获得上海市市政工程金奖、中国市政工程金杯奖[9]。

2.2 PVC护栏
PVC护栏是90年代初从韩国首先发展起来的护栏系列产品，最近几年迅速风靡欧、美、日、澳等国，大有取代传统钢、铁护栏的趋势[10]。

PVC护栏也叫做塑钢护栏，是以PVC塑料外壳与其内置钢筋、钢绞线组成的复合材料，共同参与受力。

PVC护栏具有以下特点：坚固耐用，终身不需维护；性价比高，由于PVC原料来源丰富，价格低廉，成型性能良好，相比与传统护栏具有价格优势；极强的装饰和美化功能。

国外PVC护栏的应用比较广泛，涉及道路、建筑等领域。

国内PVC护栏应用于道路护栏的研究较晚，王林[11]对17种不同截面的塑钢护栏和W形波形梁钢护栏的对比有限元静力分析，生产出2种塑钢护栏样品，通过实验能替代W形波形梁钢护栏，进行结构静力实验。

通过两种不同截面的塑钢护栏和W型波形梁钢护栏的对比静力实验，得出相对于W型波形梁钢护栏，塑钢护栏的破坏荷载较大，并且柔度好，具有市场推广价值。

在实际应用中，直接将PVC护栏应用于道路防撞护栏较少，其材料组分从国外进口，主要应用于市政工程中对拦护要求不高的道路护栏中，其装饰美化的作用；同时也应
用于社区、学校、工厂等建筑方面以及公园、河滨等公共场所。

PVC 护栏在我国具有广阔的市场，具有很好的研究和应用价值。

但是目前取得的成果还不能满足实际生产和生活需要。

2.3 PE护栏
PE护栏应用最早，一般采用高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）。

PE虽然具有良好的冲击性，但强度偏低，在实际应用中往往需要添加增强相。

K.Dutta Piyush[12]等研究了木纤维增强PE护栏的力学性能。

采用可回收利用HDPE制备的公路护栏具有良好的吸收碰撞能量的能力，减少了车辆翻车的概率[13]。

碳纤维含量对复合材料PE的强度、拉伸、疲劳等性能的极限值都有提高[14]。

李汉初[15]研究结果表明PE护栏的冲击性能与温度、风冷时间和模具有关，当温度为250?℃、风冷时间为30?min、模具连接处为圆弧时制的的护栏符合要求。

2.4 PP护栏
PP具有很好的抗弯曲疲劳能力，其刚度、强度相比PE高，但温度对其冲击强度影响较大，温度低时冲击强度也低[16]。

为提高其抗冲击强度，普遍是将造纸废浆泥作为填充制备PP塑料护栏。

该技术是以PP为基体，填充剂采用造纸废浆污泥，通过配方改性、熔融聚合制成环境友好的新材料，是解决造纸污染的一种有
效方法。

这种复合新材料强度与传统钢、铁护栏相近，耐久性、抗冲击性等指标较好，可回收利用，可应用于道路护栏[17]。

2.5 其他复合材料护栏
除了以上几种研究和应用较多的复合材料护栏外，其他复合材料护栏还有聚碳酸酯（PC）、PS和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）护栏。

这几种护栏在应用方面很少，国内在相关文献和专利几乎没有，国外对这方面的成果也不多，因此亟待开发研究。

3 结语
复合材料护栏作为一种新型的护栏，相比传统护栏具有较大的塑性、抗腐蚀能力强、节约资源、性价比高等特点。

复合材料虽然性能优越，但是也存在缺陷，所以在应用中不要局限单一复合材料护栏，可以在一定条件下，实现多种复合材料组合，弥补单一材料的缺陷，达到设计要求。

如可以将PP与PE共混来改善PE护栏的力学性能。

开发和推广新型复合材料道路护栏将是未来道路护栏的发展方向。

参考文献
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