维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年第4期 玻璃钢/复合材料 43 复合材料井盖的现状与发展趋势 尹昌平 ,刘 钧 ,曾竞成 ,曾建祥2 (1.国防科学技术大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073;2.湖南天联复合材料 有限公司,湖南长沙410011) 摘要:本文介绍了复合材料井盖的现状,分析比较了三种复合材料井盖(钢纤维混凝土井盖、再生树脂复合材料井盖和 FRP井盖)的优劣,并展望了复合材料井盖的发展趋势。 关键词:井盖;钢纤混凝土;再生树脂复合材料;纤维增强树脂基复合材料 中图分类号:TQ327.1 文献标识码:A 文章编号:1003—0999(2004)04—0043一o4 袁1 SFRC与素砼的力学性能比值 1前言 井盖是通往地下设施的出人口顶部的封闭物, 凡是安装自来水、电信、电力、燃气、热力、消防、环卫 等公用设施的地方都需要安装井盖。随着我国经济 的飞速发展,我国基础设施的建设又迎来一个新周 期,井盖在城市规划和道路建设中的市场需求量巨 与素砼(普通混凝土)相比,钢纤维混凝土具有 大。井盖所用材料以前大部分是钢筋混凝土材质。 由于钢筋混凝土具有脆性大、易老化、易断裂等缺 陷,而被铸铁、球墨铸铁等材质所取代。目前,铸铁 (含球墨铸铁)井盖用量在90%以上。但铸铁井盖 韧性显著提高、抗裂性良好等优点,其抗拉强度、抗 弯强度、疲劳强度等都有大的提高,而且可以减少裂 缝宽度。另一方面,韧性大幅度提高意味着应用于 受弯或受拉的结构时,对冲击力有良好的抵抗能力。 表2给出了钢纤维混凝土井盖和铸铁井盖、普通混 凝土井盖的性能比较结果L2j。 表2井盖性能比较 捎黻具有回收价值而经常被盗,由此造成车毁人亡的事 件时有发生。为了解决井盖被盗问题,目前主要采 取两种方法:一是在铸铁井盖上安装防盗装置,但采 用防盗装置增加了成本,却不能从根本上解决问题, 且给使用带来诸多不便;还有一种有效的途径就是 采用复合材料制作井盖,可以从根本上解决井盖被 盗问题。 心线载荷 线载荷 i嘉 号 载荷构件 拜 /kN/kN /kg/兀 /MMPaPa 2复合材料井盖的现状 复合材料井盖有三大类,即钢纤维混凝土井盖、再 生树脂复合材料井盖、纤维增强树脂基复合材料井盖。 这三种井盖都不含或含少量金属,没有回收价值。 2.1钢纤维混凝土井盖 通过性能对比可以看出,钢纤维混凝土井盖的 强度比同配比下的普通混凝土井盖提高了30%,强 度和表面抗裂性能接近了铸铁件,在构件重量基本 相同的状况下,其承载力接近或超过了铸铁件。钢 纤维混凝土井盖最明显的缺陷是重量大、开启困难, 钢纤维混凝土(SFRC)井盖是在原来钢筋混凝 土井盖的基础上改进发展起来的。它是在混凝土中 加入长度为10~20ram的钢纤维,由于大量细小的 而且在使用过程中崩边现象比较严重。一般采用的 改进措施是在井盖外边加金属框边,崩边现象有所 改善。由于钢纤维混凝土井盖具有制造成本低廉、 回收价值不大且防盗的优势,可以替代铸铁井盖在 小区及绿化带中使用。 2.2再生树脂复合材料井盖 再生树脂复合材料井盖是利用废旧塑料与煤粉 钢纤维均匀分散在混凝土中,钢纤维与混凝土的接 触面很大,而且成不规则放射状分布,几乎在所有方 向上都使混凝土得到增强,即具有各向同性的增强, 大大改善了混凝土各项性能…。 收稿日期:2004—12—19 作者简介:尹昌平(1980一),男,硕士研究生,主要从事聚合物基复合材料研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 复合材料井盖的现状与发展趋势 2004年7月 灰在熔融状态下混炼、压制成型。这种井盖所用材 料基本上是废物利用,原材料价格低廉,加之没有回 收价值,面市后颇受用户欢迎。 国内有研究单位较早开始了针对煤粉灰与废旧 塑料共混的研究 3,并且总结出了一套行之有效的 废旧塑料和煤粉灰复合新材料的配方及工艺,其研 究已处于国际先进水平。以粉煤灰和废塑料为原料 合成的树脂基复合材料井盖,刚柔相济,外型美观, 还能节约大量能源和钢铁资源,可消化掉大量的粉 煤灰和废旧塑料,符合国家节能与环保政策要求。 这种复合材料井盖90%以上利用废旧物质,没有任 何钢材或其他材料作骨架,在成本上比同类铸铁制 品低10~20%,经济效益显著。采用这种“绿色井 盖”不仅解决了井盖的防盗问题,而且还具有不腐 蚀、不生锈等优点,因此具有很强的市场竞争力。 采用煤粉灰和废旧塑料生产的井盖,其抗压、抗 弯、抗冲击强度等综合性能良好,经过各地的实际使 用,受到了较好的评价,其质量达到或超过了同类铸 铁产品的水平。但是再生树脂复合材料井盖在使用 过程中,尤其是在气温较高的环境中,在车辆不断碾 压下井盖会发生蠕变,致使井盖中间部位不断下沉, 最后导致脱落。这样将会产生很大的安全隐患,一 般只可以替代铸铁井盖在没有车辆通过、井盖受力 要求不高的地方使用。 2.3纤维增强树脂基复合材料井盖 纤维增强树脂基复合材料井盖即玻璃钢(FRP) 井盖,它是以不饱和聚酯树脂为基体材料,以玻璃纤 维为增强材料,并辅以一定填料制成的井盖。因工 艺不同、结构不同、增强形式不同,制成的井盖产品 性能也大相径庭。国内研制开发的玻璃钢井盖的工 艺方法一般有①树脂传递模塑成型(RTM)工艺_4]。 由于树脂含量较高,生产效率一般,不适宜规模化生 产;②手糊制作工艺。所制作的井盖因承载能力不 够,仅适合于在绿化带使用,也无竞争优势;③模压 工艺。井盖是承载结构产品,FRP井盖最好采用模 压工艺,产品结构比较致密。目前国内采用模压工 艺制作井盖的企业较多,模压工艺一般均采用SMC 模塑料,在一定温度和压力下压制成型。 目前生产的井盖产品结构主要为平底型、加肋 型及鱼肚型(图1)。从受力结构上分析,鱼肚型结 构设计经济合理,在节省原材料及简化模具的同时, 还可以大幅度提高井盖的承载能力。 SMC模压成型用增强材料为10~50mm的短 a3Z底型 b加肋型 c鱼肚型 图1井盖的三种结构 纤维,而短纤维的强度只有连续纤维的20~30%, 因此仅使用短纤维,则很难使井盖的承载能力达到 使用要求。在这种情况下有的企业在井盖中加入钢 筋。从承载能力上看是明显提高了,但由于钢筋与 复合材料的材质大不相同,其热膨胀系数的差异较 大,加之钢筋表面往往生锈,导致其表面与树脂结合 不好。从使用寿命上看,这种方式不够理想。使用 连续纤维增强的井盖与使用短纤维增强的井盖相 比,其承载能力将大幅提高,无须外加钢筋,使用寿 命上更有保障。 分层复合是在井盖不同部位使用不同增强材 料。在井盖下部使用连续纤维增强,以保证其承载 能力;在中间部位大量使用填料,以提高产品抗变形 能力;在上部使用硬度较高、耐磨耐候性好的材料, 并设计采用不同图案和不同颜色。这样制备的井盖 即可满足耐磨耐候要求,又具有美观漂亮的特点。 玻璃钢井盖具有轻质高强、抗疲劳性能好、破损安全 性好、成型工艺性优越、耐腐蚀、外表美观、图案可设 计性强等优点,并能很好地解决铸铁井盖被盗的问 题,现已成为铸铁井盖理想的替代产品。表3给出 了玻璃钢、铸铁和水泥井盖的性能比较结果[5l。 表3玻璃钢与铸铁和水泥井盖性能对比 2.4三种复合材料井盖的比较 复合材料井盖可以替代铸铁井盖在不同的条件 维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年第4期 玻璃钢/复合材料 45 下使用。高性能纤维增强树脂基复合材料井盖能替 代铸铁井盖在各种条件下使用。表4为三种复合材 料井盖的比较结果。可以看出,FRP井盖具有其他 复合材料井盖不可比拟的优势。随着研制开发的深 入,该类井盖将得到更加广泛的应用。 目前,钢纤维混凝土井盖和再生树脂复合材料 根据不同的使用条件而制备相应的井盖产品,不仅 可以满足各种道路、场地的使用要求,确保井盖在使 用过程中的安全可靠性,又可以最大程度的合理利 用材料,避免造成资源浪费,降低井盖的生产和使用 成本。现有的建设部行业推荐标准[10J将铸铁井盖 的承载等级分为重型和轻型两级。借鉴铸铁检查井 盖行业标准,充分考虑井盖所处道路的交通流量、耐 久性要求、节约原材料和方便制造安装等诸多因素, 复合材料井盖应划分为多3个不同使用等级,以适 应不同条件的道路及场地。根据载荷等级进行井盖 生产,有利于井盖的安全使用和材料的合理利用,将 产生很好的经济和社会效益。 目前已有大量专利技术涉及到复合材料井盖,有 越来越多的企业从事复合材料井盖的研制和生产。 随着我国经济的持续快速发展,井盖在城市规划和道 路建设中得到越来越广泛的应用。这预示着一个新 井盖的综合性能虽然不如FRP井盖,但它们的研究 开发比较早,已有了相应的行业标准l60],可以指导 国内相应复合材料井盖的生产,保证了井盖的质量 和市场竞争的秩序。现在从事FRP井盖生产的企 业越来越多,但其井盖暂无行业标准,无法统一衡量 和评价不同企业的井盖质量。为了保证FRP井盖 的健康发展,应尽快制定行业标准。 表4三种复合材料井盖比较 型材料井盖产业的兴起。从技术上讲,不同的复合材 料井盖完全可以替代铸铁井盖在不同的条件下使用, 商陛能FRP井盖能替代铸铁井盖在各种条件下使 用。有理由相信,随着复合材料井盖性能的进一步提 高及推广力度的加大,它的春天一定会到来。 参考文献 . 3发展趋势和展望 当前,我国国民经济的快速发展正大力推动着 基础设施建设,井盖由于在城市规划和道路建设中 [1]宋万民,董斌.钢纤维砼(SFRC)及其应用研究[J].昆明理工大 学学报,1998,23(1):20—24. 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[8]黄家康,岳红军,董永棋.复合材料成型工艺[M].北京:化学工 业出版社,2000.10.18. 助于对井盖使用寿命做出评定,而使用寿命的确定 为保证井盖安全使用提供了依据。 井盖多应用在城镇、厂矿及大型物资集散地等 [9]胡晓波,张彦春,杨元霞等.钢纤维混凝土窨井盖疲劳试验与使 用等级研究[J].建筑材料学报,2003,6(2):200.203. f lo]CJ/T3012-93。铸铁检查井盖[s]. 地方,使用条件各不相同,应确定相应的使用等级。 PRESENT TUS AND DEVEI 'PING.I REND 0lF‘)‘'MP《 I IE WELL LⅡ YIN Chang—ping ,LIU Jun ,ZENG Jing—cheng ,ZENG Jian—xiang (1.College of Aerospace and Material Engineering,National University of Defense Technology,Changsha of Hunan Prov.410073,China; 2.Hunan Timelion Cornposite Materils Co.Ltd.,Changsha of aHunan Prov.41001 1,China) Abstract:The present status of composite well lids was introduced.The advantages and disadvantages of (下转第23页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年第4期 玻璃钢/复合材料 23 维分布才趋于均匀。 大/J、有关。根据密实值的概念,结合渗流力学 E LI遥弑懈 层厚度随密实时间、工艺压力的变化关系。纤维密 实层厚度变化方程是树脂短程流动模型的限定函 数[0 ],在建立树脂短程流动模型、优化工艺窗口方 如 他 ¨ 他 Dupui够 t-ForchheimerE j方程可以建立热压过程密实 图1O为不同压力下纤维实际密实值与工艺压 力关系,碳纤维密实值随压力的增加而递减。在压 力小于0.5MPa时,密实值随着压力的增加递减很 快;压力大于0.5MPa时,密实值随压力的增加递减 速度变缓。以碳纤维/环氧618体系为例,当预浸 料为36层的复合材料层板达到纤维体积分数为 60%(工程密实)时,由关系式(1)及图15可以求出 热压体系纤维全部达到密实的工艺压力值接近于 1.2MPa。 面具有重要的参考价值。 3结论 (1)确定纤维单丝堆积状态为三角形,三角形的 高h表征纤维密实程度,称为密实值,所提出纤维 理论密实值hL和工程密实值hG可以用来表征和 分析纤维密实程度; (2)纤维密实程度受纤维单丝直径和工艺压力 的影响; (3)确定了树脂体系、加压时机一定时纤维体积 含量随工艺压力变化的关系曲线。 参考文献 [1]梁智权.流体力学[M].重庆:重庆大学出版社,2002:159—161. [2]孔祥言.高等渗流力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 1999.23—25. -o-2 O.O O.2 O.4 O.6 O.8 1.O 1.2 1.4 1.6 工艺压力/MPa [3]Wen.Bin Young.Resin lfow analysis in the consolidation of multi-Di— rectlonal laminared omposcits[J].Poleymer Composites,1995,(3): 250.257. 图l0不同压力下纤维密实值变化 Fig.10 Variety curve of compaction value of fiber under different pressure 通过对玻璃纤维、碳纤维单丝分布状况的研究, 发现碳纤维在较小压力下就可达到纤维单丝分布均 匀,玻璃纤维则需要较大压力,这与两种纤维直径的 [4]D C Blseta,BRDuffyb,SMcKeeb,et a1.Curing simulation ofth 一 m08et omposcits[eJ].Composits:Paert A,1999,(30):1289.1309. [5]D C Blseta,S McKeeb,A K Zullde.Curing simulaiton by autoclave resin infusion[J].Compositse Science and Technology,1999,(59): 2297.2313. [6]RaiuvDave.A uniifed approachto nl0ddiIlg resinflow du她composite pr∞ess [J].Journal of Composite Materials,1990,(24):23-41. SIUDYON‘I】MP I1I AI2GNI ̄IⅢ INI-IOl" INl P X REN Qian,ZHAMU Anma,ZHANG Zuo-guang (School of Material Science and Enga ̄rmg,Bei}lang University,Beijing 100083,China) 嚼l :This paper studies the compaction of ali e(1 ifber in hot pI stt ̄modeal,and theoretical compaction value-hL and er process with the use of optical micrcsoope nd ang compaction value-hc have been prposed.By usoe of the two values,the D】 ssuIefor a oert ̄fiber volutnefraction can bepredicted.OntheBasis oftheimportant experiment datainthis pa。 per,the technical optimum and short-range flow Ino can be realized・ ICey硼呷凼:compesite;hot pI process;compaction (上接第45页) three types of composite well lids suchas steel fiber reinforced concrete well lids,recycled plastics well lids and fiber reinforced plstaics well lids were analyzed and compared.This paper also discussed the development and prospect of the composite well lids. Key words:well lid;steel fiber reinforced concrete;recycled plstaics;fiber reinforced plstaics