CN107675622A - 一种高强度低自重的钢丝桥梁缆索 - Google Patents

一种高强度低自重的钢丝桥梁缆索 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锌‑铝合金钢丝桥梁缆索，特别是一种高强度低自重的锌‑铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为5‑30％的氧化石墨烯与碳纤维的混纺物，氧化石墨烯与碳纤维的体积比为1:9‑3:7。本发明采用功能化石墨烯与碳纤维复合成长纤维与钢丝复合成桥梁缆索，可以将钢丝的拉伸强度为1570MPa左右，提升到整体为50GPa以上。

Description

一种高强度低自重的钢丝桥梁缆索
技术领域
本发明涉及桥梁缆索领域，尤其涉及一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索。
背景技术
桥梁缆索是缆索桥梁的承重传力构件，主要要包括悬索桥、斜拉桥和拱吊桥等的主缆、吊索和斜拉索。目前，绝大部分桥梁缆索系统(主缆、斜拉索、吊索等)是由高强度钢丝或钢丝制品(钢纹线、钢丝绳)组成。
随着经济发展的进一步加速，跨江跨海桥梁的不断建设，对于桥梁缆索的强度和使用寿命要求进一步提高。尤其是沿海地区，其空气中含有大量的氯离子，能直接与锌层发生化学反应，形成可溶性的锌盐，腐蚀缆索钢丝表面的锌层，使钢丝的寿命大大缩短。因此，迫切需要开发一种耐久性更好的缆索材料，以满足桥梁更为严格的使用要求。
锌铝合金镀层钢丝是新开发的，能够代替传统镀锌钢丝的新型桥梁缆索材料，其合金镀层中的铝元素能起到把钢与外部环境分隔的屏蔽作用，同时锌元素具有优异的电化学防护性能，在大气环境中的耐蚀能力是同厚度热镀锌层的2-3倍。由于铝元素的加入，液态锌铝合金溶液的流动性比纯锌溶液好，且合金镀层的热浸镀温度在430℃左右，共晶合金的熔点比纯锌熔点低，既能保证力学性能不低于镀锌钢丝，又能符合跨江跨海大桥缆索高强度、高耐久性的使用要求，是取代现阶段桥梁缆索用热镀锌钢丝的理想新材。
但是锌铝合金镀层钢丝的制作技术难题目前尚未全部解决，其本身自重较高，同时其强度也存在提高的余地，严重影响了锌铝合金镀层钢丝的产业化，制约了锌铝合金镀层钢丝在大桥缆索上的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其强度，自重低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种锌-铝合金钢丝桥梁缆索，特别是一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为5-30％的氧化石墨烯与碳纤维的混纺物，氧化石墨烯与碳纤维的体积比为1:9-3:7。
所述锌-铝合金为现有技术，其作用为防止盐雾腐蚀等，本发明对此不作特别限定。优选的，所述锌-铝合金中铝的重量百分比含量为5-15％，优选7-9％。
优选的，所述氧化石墨烯与碳纤维的混纺物为石墨烯纤维与碳纤维均匀混合后编织成长纤维。
本发明采用氧化石墨烯和碳纤维组成的混纺长纤维，与钢丝一起形成钢丝桥梁缆索。由于氧化石墨烯和碳纤维密度均小于钢丝，因此其与钢丝一起形成桥梁缆索后，同等体积下自重降低。
同时，由于碳纤维兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，其碳纤维拉伸强度约为2到7GPa，拉伸模量约为200到700GPa，密度约为1.5到2.0克每立方厘米。
石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，因此本发明采用经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯与碳纤维复合成长纤维则会异常坚固强韧，其拉伸强度为100GPa以上。
本发明采用功能化石墨烯与碳纤维复合成长纤维与钢丝复合成桥梁缆索，可以将钢丝的拉伸强度为1570MPa左右，提升到整体为50GPa以上。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的拉伸试验拉伸试验根据国标进行选样和测试。标准编号为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验》，拉伸试验采用长春试验机研究所生产的电子万能试验机进行，型号CSS-44300-300k N。
实施例1
一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为5％的氧化石墨烯与碳纤维的混纺物，氧化石墨烯与碳纤维的体积比为1:9。
按照上述测试方法，其拉伸强度为20GPa。
实施例2
一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为30％的氧化石墨烯与碳纤维的混纺物，氧化石墨烯与碳纤维的体积比为3:7。
按照上述测试方法，其拉伸强度为65GPa。
实施例3
一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为20％的氧化石墨烯与碳纤维的混纺物，氧化石墨烯与碳纤维的体积比为2:8.
按照上述测试方法，其拉伸强度为52GPa。
对比例1
相较于实施例3，其仅省略其中的碳纤维。
按照上述测试方法，其拉伸强度先是为85GPa，后迅速降低为2000MPa左右。原因是由于所述氧化石墨烯较脆，难以耐久导致的。
对比例2
相较于实施例3，其仅省略其中的氧化石墨烯。
按照上述测试方法，其拉伸强度为3GPa。
上述试验证明，本发明采用功能化石墨烯与碳纤维复合成长纤维与钢丝复合成桥梁缆索，相较于纯钢丝制备成的桥梁缆索，不仅自重下降明显，其拉伸强度也由钢丝的拉伸强度为1570MPa左右，提升到整体为50GPa以上。

Claims (3)

1.一种高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述桥梁缆索含有体积百分含量为5-30％的石墨烯与碳纤维的混纺物，石墨烯与碳纤维的体积比为1:9-3:7。
2.如权利要求1所述的高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述锌-铝合金中铝的重量百分比含量为5-15％，优选7-9％。
3.如权利要求1或2所述的高强度低自重的锌-铝合金钢丝桥梁缆索，其特征在于，所述石墨烯与碳纤维的混纺物为石墨烯纤维与碳纤维均匀混合后编织成长纤维。
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