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2 0 0 4年第 4期 玻 璃 钢 复 合 材 料 4 3 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4 1 0 0 7 3；2 湖南天联复合材料 有限公司，湖南长沙4 1 0 0 1 1)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 F R P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：T Q 3 2 7 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3 0 9 9 9(2 0 0 4)0 4 0 0 4 3 一 o 4 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 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 9 0 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(S F R C)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 1 0 2 0 ra m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 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。袁 1 S F R C与素砼 的力学性能比值 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L 2 j。表 2 井盖性能比较 捎M黻Pa kNMPa kN嘉 kN kg拜 心 线 载 荷 线 载 荷 i号 载 荷 构 件 兀 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 3 0，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 收稿 日期：2 0 0 4 1 2 1 9 作者简介：尹 昌平(1 9 8 0 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:/ 复合材料井盖的现状与发展趋势 2 0 0 4 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 9 0 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 1 0 2 0，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(F R P)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 艺方法一般有树脂传递模塑成型(R T M)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；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；模压 工艺。井盖是承载结构产品，F R P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 S MC 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。S MC模压成型用增强材料为 1 0 5 0 mm的短 a 3 Z 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 2 03 0，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 5 l。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:/ 2 0 0 4年第 4 期 玻 璃 钢 复 合 材 料 4 5 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，F R P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 F R P井盖，但它们的研究 开发比较早，已有了相应的行业标准l 6 0，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 F R P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 F R P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 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_9 _9。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 1 0 J 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，商陛能 F R P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 1 宋万民，董斌 钢纤维砼(S F R C)及其应用研究 J 昆明理工大 学学报，1 9 9 8，2 3(1)：2 0 2 4 2 徐世立，高春风，李传文 钢纤维砼井盖井篦在城市道路建设 中 的应用 J 山东建材，2 0 0 0，(1)：3 3 3 彤宇，杨连军 用煤粉灰做井盖 J 再生资源研究，2 0 0 2，(2)：4 1 _ 4 2 4 林金保，张少琴，常莉莉 R T M工艺制造玻璃钢检查井盖 J 玻 璃钢 复合材料，2 0 0 3，(3)：3 6 3 7 5 罗恒，罗诚，黄健等 玻璃钢井盖的研制 贵州科学 J ，2 0 0 0，1 8，(4)：3 0 6 3 1 0 6 J C 8 8 9，钢纤维混凝土检查井盖I s 7 C J T 1 2 1 2 0 0 0，再生树脂复合材料检查井盖I s 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，2 0 0 0 1 0 1 8 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，2 0 0 3，6(2)：2 0 0 2 0 3 f l o C J T 3 0 1 2-9 3。铸铁检查井盖 s PRE S ENT TUS AND DEVEI P I N G I REND 0lF )M P I I E W ELL L YI N Ch a n g p i n g ，LI U J u n ，ZENG J i n g c h e n g ，ZENG J i a n x i a n g (1 C o l l e g e o f A e r o s p a c e a n d Ma t e r i a l E n g i n e e r i n g，Na t i o n al Un i v e r s i t y o f De f e n s e Te c h n o l o g y，Ch a n g s h a o f Hu n a n P r o v41 0 0 7 3，Ch i n a；2 Hu n a n T i me l i o n C o rnp o s i t e Ma t e r i als C o L t d ，C h a n g s h a o f Hu n a n P r o v 4 1 0 0 1 1，C h i n a)Ab s t r a c t：Th e p r e s e n t s t a t u s o f c o mp o s i t e we ll l i d s wa s i n t r o d u c e d T h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f (下转第 2 3页)维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 4期 玻 璃 钢 复 合 材 料 2 3 维分布才趋于均匀。图 1 O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 5 MP a 时，密实值 随着压力的增加递减很 快；压力大于 0 5 MP a 时，密实值随压力的增加递减 速度变缓。以碳纤维 环氧 6 1 8体系为例，当预浸 料为 3 6层的复合材料层板达到纤维体 积分 数为 6 0(工程密实)时，由关系式(1)及图 1 5 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 2M P a。-o-2 O O O 2 O 4 O 6 O 8 1 O 1 2 1 4 1 6 工艺压力 MP a 图 l 0 不同压力下纤维密实值变化 F i g 1 0 Va r i e t y c u r v e o f c o mp a c t i o n v a l u e o f fi b e r u n d e r d i ff e r e n t p r e s s u r e 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 大 J、有 关。根 据 密 实值 的 概念，结 合 渗 流力 学 D u p u i t-F o r c h h e i m e r E j 方程可 以建立热压过程 密实 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 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 h L和工程密实值 h G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，2 0 0 2：1 5 9 1 6 1 2 孔祥言 高等渗流力学 M 合肥：中国科学技术大学出版社，1 9 99 2 3 2 5 3 We n B i n Y o u n g R e s i n fl o w a n a l y s i s i n t h e c o n s o li d a t i o n o f m u l t i-D i r e c t l o n a l la m in a r e d com p o s i t es J P o l y m e r C o m p o s i t e s，1 9 9 5，(3)：2 5 0 2 5 7 4 D C B l es t a，BRD u f f y b，SMc K e e b，e t a 1 C u r i n g s i m u la ti o n o f t h 一 m 0 8 e t com p o s i t es J C o m p o s i t es：P a r t A，1 9 9 9，(3 0)：1 2 8 9 1 3 0 9 5 D C B l es t a，S M c K e e b，A K Z u l l d e C u r i n g s i m u l a ti o n b y a u t o c l a v e r e s i n in f u s i o n J C o m p o s i t es S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，1 9 9 9，(5 9)：2 2 9 7 2 31 3 6 R a i u vD a v e A u n i fi e d a p p r o a c ht o n l 0 d d i I l g r e s infl o w d u 她com p o s i t e p r e s s J J o u r n a l o f C o m p o s i t e M a t e r i a ls，1 9 9 0，(2 4)：2 3-4 1 S I UD Y ON I】M P I 1 I AI 2 GN I I I N I-I Ol I N l P X R E N Q i a n，Z HA MU A n ma，Z HA N G Z u o-g u a n g (S c h o o l o f M a t e r ia l S c ie n c e a n d E n g a r m g，B e i la n g U n i v e r s i t y，B e iji n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a)嚼l ：T h i s p a p e r s t u d i e s t h e c o mp a c t i o n o f a l i e(1 fi b e r i n h o t p I p r o c e s s wi t h t h e u s e o f o p ti c a l mi c r c s oop e and s t at mo d e l，and t h e o r e ti c a l c o mp a c ti o n v a l u e-h L and e r n g c o mp a c t i o n v a l u e-h c h a v e b e e n p r opo s e d B y u s e o f t h e t wo v a l u e s，th e D】s s u I ef o r a o e rt fi b e r v o l u t n ef r a c t i o n c a n b ep r e d i c t e d O nt h eB a s i s o f t h ei mp o r t a n t e x p e r i me n t d a t ai nt h i s p a。p e r，t h e t e c h n i c a l o p ti mu m and s h o r t-r a n g e fl o w I n o c a n be r e a l i z e d I C e y硼呷凼：c o m pe s i t e；ho t p I p r o c e s s；c o mp a c t i o n (上接第 4 5 页)t h r e e t y p e s o f c o mp o s i t e we l l li d s s u c h a s s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e we ll li d s，r e c y c l e d p l a s t i c s we ll l i d s a n d f i b e r r e i n f o r c e d p l as t i c s we ll li d s we r e a n a l y z e d a n d c o mp a r e dTh i s p a p e r a l s o d i s c u s s e d t h e d e v e l o p me n t a n d p r o s p e c t o f t h e c o mp o s i t e we ll li d s Ke y wo r d s：we ll li d；s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e；r e c y c l e d p l ast i c s；f i b e r r e i n f o r c e d p l as t i c s 如 他 他 够 E L I 遥弑懈 维普资讯 http:/