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复合材料井盖的现状和发展趋势

2020-02-19 03:41:01 3703次浏览

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l 前言

井盖是通往地下设施的出入口顶部的封闭物,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,我国基础设施的建投又迎来一个新周期,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。

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

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10-20mm的钢纤维,由于大量细小的钢纤维均匀分散在混凝土中,钢纤维与混凝土的接融面很大,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。

表1 SFRC与素砼(普通混凝土)的力学性能比值

力学性能 比值 力学性能 比值

极限抗压强度 1.1-1.25 抗弯初级裂强度 1.5-2.0

极限抗剪强度 2 断裂韧性(弯曲) 8-20

极限劈拉强度 2.1-2.2 冲击抗力 5-10

极限抗折强度 1.5-2.5 冲击韧性 3-17

与素砼(普通混凝土)相比,钢纤维混凝土具有韧性显著提高、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。

表2 井盖性能比较

抗弯强度

/MPa 试验室中心线载荷/kN 路试中心线载荷/kN 破坏后裂纹分布 同等允许载荷构件/kg 成本/元

钢纤维混凝土井盖 46 95 >80 轻微放射 70 230

普通混凝土井盖 35.5 45 50 放射加残缺 75 120

铸铁井盖 50 69 >70 轻微放射 50 360

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,而且在使用过程中崩边现象比较严重。一般采用的改迸措施是在井盖外道加金届框边,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仇势,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粉煤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,并且总结出了一套行之有效的废旧塑料和粉煤灰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。

采用粉煤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。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。

图1 井盖的三种结构

SMC模压成型用增强材料为10-50mm的短纤维,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。

表3 玻璃钢与铸铁和水泥井盖性能对比

性能对比 材质

铸铁井盖 水泥井盖 玻璃钢井盖

重量(套)/kg 一般100 一般140 一般70,重量适中

抗震性 好 差(易从边缘开始破坏) 好

井盖开启难易程度 容易 笨重,一人无法开启 一般厚4cm,易开启

车辆通过时的平稳性 车辆开过时有撞击声 一般 无响声

表面耐磨性加工性能

(表面另制图案) 耐磨 一般 耐磨(内含耐磨材料)

容易 不太容易 容易

井盖与井座 不好 不好 好

尺寸稳定性受压强度/kN 一般250 一般200 一般210

安装性能 好 好 好

耐腐蚀性能 易生锈 一般 好

耐老化性能 好 一般 好

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,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

钢纤维混凝土井盖 再生树脂复合材料井盖 FRP井盖

优势 1、回收价值不大

2、制造成本低廉 1、无回收利用价值

2、制造成本低廉 1、无回收利用价值

2、承载可以达到要求

3、产品表面颜色图案可设计性强

缺陷 1、材质脆性强,易崩边,承载能力不够

2、笨重,开启困难 承载能力不够,不宜在有车辆通过的地方使用 1、制造成本较高

2、抗冲击性不如铸铁井盖

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大量使用,市场前景十分看好。由于井盖性能和质量的优劣对公共安全产生重要影响,制定和完善井盖行业标准具有现实的迫切性和广泛的社会意义。承载能力是井盖最重要的性能之一。道路上行进的车辆对井盖产生交变作用载荷,井盖的疲劳破坏应是最严重的,因此对井盖的承载能力的评价除采用静载试验之外,更应进行动载试验研疲劳试验。疲劳试验有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地方,使用条件各不相同,应确定相应的使用等级。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则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,高性能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。

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