復合材料井蓋的現狀與發展趨勢
l 前言
井蓋是通往地下設施的出入口頂部的封閉物,凡是安裝自來水、電信、電力、燃氣、熱力、消防、環衛等公用設施的地方都需要安裝井蓋。隨著我國經濟的飛速發展,我國基礎設施的建投又迎來一個新周期,井蓋在城市規劃和道路建設中的市場需求量巨大。井蓋所用材料以前大部分是鋼筋混凝土材質。由于鋼筋混凝土具有脆性大、易老化、易斷裂等缺陷,而被鑄鐵、球墨鑄鐵等材質所取代。目前,鑄鐵(含球墨鑄鐵)井蓋用量在90%以上。但鑄鐵井蓋具有回收價值而經常被盜,由此造成車毀人亡的事件時有發生。為了解決井蓋被盜問題,目前主要采取兩種方法:一是在鑄鐵井蓋上安裝防盜裝置,但采用防盜裝置增加了成本,卻不能從根本上解決問題,且給使用帶來諸多不便;還有一種有效的途徑就是采用復合材料制作井蓋,可以從根本上解決井蓋被盜問題。
2 復合材料井蓋的現狀
復合材料井蓋有三大類,即鋼纖維混凝土井蓋、再生樹脂復合材料井蓋、纖維增強樹脂基復合材料井蓋。這三種井蓋都不含或含少量金屬,沒有回收價值。
2.1 鋼纖維混凝土井蓋
鋼纖維混凝土 (SFRC)井蓋是在原來鋼筋混凝土井蓋的基礎上改進發展起來的。它是在混凝土中加入長度為10-20mm的鋼纖維,由于大量細小的鋼纖維均勻分散在混凝土中,鋼纖維與混凝土的接融面很大,而且成不規則放射狀分布,幾乎在所有方向上都使混凝土得到增強,即具有各向同性的增強,大大改善了混凝土各項性能。
表1 SFRC與素砼(普通混凝土)的力學性能比值
|
力學性能 |
比值 |
力學性能 |
比值 |
|
極限抗壓強度 |
1.1-1.25 |
抗彎初級裂強度 |
1.5-2.0 |
|
極限抗剪強度 |
2 |
斷裂韌性(彎曲) |
8-20 |
|
極限劈拉強度 |
2.1-2.2 |
沖擊抗力 |
5-10 |
|
極限抗折強度 |
1.5-2.5 |
沖擊韌性 |
3-17 |
與素砼(普通混凝土)相比,鋼纖維混凝土具有韌性顯著提高、抗裂性良好等優點,其抗拉強度、抗彎強度、疲勞強度等都有大的提高,而且可以減少裂縫寬度。另一方面,韌性大幅度提高意味著應用于受彎或受拉的結構時,對沖擊力有良好的抵抗能力。表2給出了鋼纖維混凝土井蓋和鑄鐵井蓋、普通混凝土井蓋的性能比較結果。
表2 井蓋性能比較
表2 井蓋性能比較
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抗彎強度 /MPa |
試驗室中心線載荷/kN |
路試中心線載荷/kN |
破壞后裂紋分布 |
同等允許載荷構件/kg |
成本/元 |
|
鋼纖維混凝土井蓋 |
46 |
95 |
>80 |
輕微放射 |
70 |
230 |
|
普通混凝土井蓋 |
35.5 |
45 |
50 |
放射加殘缺 |
75 |
120 |
|
鑄鐵井蓋 |
50 |
69 |
>70 |
輕微放射 |
50 |
360 |
通過性能對比可以看出,鋼纖維混凝土井蓋的強度比同配比下的普通混凝土井蓋提高了30%,強度和表面抗裂性能接近了鑄鐵件,在構件重量基本相同的狀況下,其承載力接近或超過了鑄鐵件。鋼纖維混凝土井蓋明顯的缺陷是重量大、開啟困難,而且在使用過程中崩邊現象比較嚴重。一般采用的改迸措施是在井蓋外道加金屆框邊,崩邊現象有所改善。由于鋼纖維混凝土井蓋具有制造成本低廉、回收價值不大且防盜的仇勢,可以替代鑄鐵井蓋在小區及綠化帶中使用。
2.2 再生樹脂復合材料井蓋
再生樹脂復合材料井蓋是利用廢舊塑料與粉煤灰在熔融狀態下混煉、壓制成型。這種井蓋所用材料基本上是廢物利用,原材料價格低廉,加之沒有回收價值,面市后頗受用戶歡迎。
國內有研究單位較早開始了針對煤粉灰與廢舊塑料共混的研究,并且總結出了一套行之有效的廢舊塑料和粉煤灰新材料的配方及工藝,其研究已處于國際先進水平。以粉煤灰和廢塑料為原料合成的樹脂基復合材料井蓋,剛柔相濟,外型美觀,還能節約大量能源和鋼鐵資源,可消化掉大量的粉煤灰和廢舊塑料,符合節能與環保政策要求。這種復合材料井蓋 90%以上利用廢舊物質,沒有任何鋼材或其他材料作骨架,在成本上比同類鑄鐵制品低10-20%,經濟效益顯著。采用這種“綠色井蓋”不僅解決了井蓋的防盜問題,而且還具有不腐蝕、不生銹等優點,因此具有很強的市場競爭力。
采用粉煤灰和廢舊塑料生產的井蓋,其抗壓、抗彎、抗沖擊強度等綜合性能良好,經過各地的實際使用,受到了較好的評價,其質量達到或超過了同類鑄鐵產品的水平。但是再生樹脂復合材料井蓋在使用過程中,尤其是在氣溫較高的環境中,在車輛不斷碾壓下井蓋會發生蠕變,致使井蓋中間部位不斷下沉,后導致脫落。這樣將會產生很大的安全隱患,一般只可以替代鑄鐵井蓋在沒有車輛通過、井蓋受力要求不高的地方使用。
2、3 纖維增強樹脂基復合材料井蓋
纖維增強樹脂基復合材料井蓋即玻璃鋼(FRP)井蓋,它是以不飽和聚酯樹脂為基體材料,以玻璃纖維為增強材料,并輔以一定填料制成的井蓋。因工藝不同、結構不同、增強形式不同,制成的井蓋產品性能也大相徑庭。國內研制開發的玻璃鋼井蓋的工藝方法一般有①樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝。由于樹脂含量較高,生產效率一般,不適宜規模化生產;②手糊制作工藝。所制作的井蓋因承載能力不夠,僅適合于在綠化帶使用,也無競爭優勢;③模壓工藝。井蓋是承載結構產品, FRP井蓋好采用模壓工藝,產品結構比較致密。目前國內采用模壓工藝制作井蓋的企業較多,模壓工藝一般均采用SMC模塑料,在一定溫度和壓力下壓制成型。
目前生產的井蓋產品結構主要為平底型、加肋型及魚肚型(圖1)。從受力結構上分析,魚肚型結構設計經濟合理,在節省原材料及簡化模具的同時,還可以大幅度提高井蓋的承載能力。
2.2 再生樹脂復合材料井蓋
再生樹脂復合材料井蓋是利用廢舊塑料與粉煤灰在熔融狀態下混煉、壓制成型。這種井蓋所用材料基本上是廢物利用,原材料價格低廉,加之沒有回收價值,面市后頗受用戶歡迎。
國內有研究單位較早開始了針對煤粉灰與廢舊塑料共混的研究,并且總結出了一套行之有效的廢舊塑料和粉煤灰新材料的配方及工藝,其研究已處于國際先進水平。以粉煤灰和廢塑料為原料合成的樹脂基復合材料井蓋,剛柔相濟,外型美觀,還能節約大量能源和鋼鐵資源,可消化掉大量的粉煤灰和廢舊塑料,符合節能與環保政策要求。這種復合材料井蓋 90%以上利用廢舊物質,沒有任何鋼材或其他材料作骨架,在成本上比同類鑄鐵制品低10-20%,經濟效益顯著。采用這種“綠色井蓋”不僅解決了井蓋的防盜問題,而且還具有不腐蝕、不生銹等優點,因此具有很強的市場競爭力。
采用粉煤灰和廢舊塑料生產的井蓋,其抗壓、抗彎、抗沖擊強度等綜合性能良好,經過各地的實際使用,受到了較好的評價,其質量達到或超過了同類鑄鐵產品的水平。但是再生樹脂復合材料井蓋在使用過程中,尤其是在氣溫較高的環境中,在車輛不斷碾壓下井蓋會發生蠕變,致使井蓋中間部位不斷下沉,后導致脫落。這樣將會產生很大的安全隱患,一般只可以替代鑄鐵井蓋在沒有車輛通過、井蓋受力要求不高的地方使用。
2、3 纖維增強樹脂基復合材料井蓋
纖維增強樹脂基復合材料井蓋即玻璃鋼(FRP)井蓋,它是以不飽和聚酯樹脂為基體材料,以玻璃纖維為增強材料,并輔以一定填料制成的井蓋。因工藝不同、結構不同、增強形式不同,制成的井蓋產品性能也大相徑庭。國內研制開發的玻璃鋼井蓋的工藝方法一般有①樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝。由于樹脂含量較高,生產效率一般,不適宜規模化生產;②手糊制作工藝。所制作的井蓋因承載能力不夠,僅適合于在綠化帶使用,也無競爭優勢;③模壓工藝。井蓋是承載結構產品, FRP井蓋好采用模壓工藝,產品結構比較致密。目前國內采用模壓工藝制作井蓋的企業較多,模壓工藝一般均采用SMC模塑料,在一定溫度和壓力下壓制成型。
目前生產的井蓋產品結構主要為平底型、加肋型及魚肚型(圖1)。從受力結構上分析,魚肚型結構設計經濟合理,在節省原材料及簡化模具的同時,還可以大幅度提高井蓋的承載能力。
圖1 井蓋的三種結構
SMC模壓成型用增強材料為10-50mm的短纖維,而短纖維的強度只有連續纖維的20-30%,因此僅使用短纖維,則很難使井蓋的承載能力達到使用要求。在這種情況下有的企業在井蓋中加入鋼筋。從承載能力上看是明顯提高了,但由于鋼筋與復合材料的材質大不相同,其熱膨脹系數的差異較大,加之鋼筋表面往往生銹,導致其表面與樹脂結合不好。從使用壽命上看,這種方式不夠理想。使用連續纖維增強的井蓋與使用短纖維增強的井蓋相比,其承載能力將大幅提高,無須外加鋼筋,使用壽命上更有保障。
分層復合是在井蓋不同部位使用不同增強材料。在井蓋下部使用連續纖維增強,以保證其承載能力;在中間部位大量使用填料,以提高產品抗變形能力;在上部使用硬度較高、耐磨耐候性好的材料,并設計采用不同圖案和不同顏色。這樣制備的井蓋即可滿足耐磨耐候要求,又具有美觀漂亮的特點。玻璃鋼井蓋具有輕質高強、抗疲勞性能好、破損安全性好、成型工藝性優越、耐腐蝕、外表美觀、圖案可設計性強等優點,并能很好地解決鑄鐵井蓋被盜的問題,現已成為鑄鐵井蓋理想的替代產品。表3給出了玻璃鋼、鑄鐵和水泥井蓋的性能比較結果。
表3 玻璃鋼與鑄鐵和水泥井蓋性能對比
SMC模壓成型用增強材料為10-50mm的短纖維,而短纖維的強度只有連續纖維的20-30%,因此僅使用短纖維,則很難使井蓋的承載能力達到使用要求。在這種情況下有的企業在井蓋中加入鋼筋。從承載能力上看是明顯提高了,但由于鋼筋與復合材料的材質大不相同,其熱膨脹系數的差異較大,加之鋼筋表面往往生銹,導致其表面與樹脂結合不好。從使用壽命上看,這種方式不夠理想。使用連續纖維增強的井蓋與使用短纖維增強的井蓋相比,其承載能力將大幅提高,無須外加鋼筋,使用壽命上更有保障。
分層復合是在井蓋不同部位使用不同增強材料。在井蓋下部使用連續纖維增強,以保證其承載能力;在中間部位大量使用填料,以提高產品抗變形能力;在上部使用硬度較高、耐磨耐候性好的材料,并設計采用不同圖案和不同顏色。這樣制備的井蓋即可滿足耐磨耐候要求,又具有美觀漂亮的特點。玻璃鋼井蓋具有輕質高強、抗疲勞性能好、破損安全性好、成型工藝性優越、耐腐蝕、外表美觀、圖案可設計性強等優點,并能很好地解決鑄鐵井蓋被盜的問題,現已成為鑄鐵井蓋理想的替代產品。表3給出了玻璃鋼、鑄鐵和水泥井蓋的性能比較結果。
表3 玻璃鋼與鑄鐵和水泥井蓋性能對比
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性能對比 |
材質 | ||
|
鑄鐵井蓋 |
水泥井蓋 |
玻璃鋼井蓋 | |
|
重量(套)/kg |
一般100 |
一般140 |
一般70,重量適中 |
|
抗震性 |
好 |
差(易從邊緣開始破壞) |
好 |
|
井蓋開啟難易程度 |
容易 |
笨重,一人無法開啟 |
一般厚4cm,易開啟 |
|
車輛通過時的平穩性 |
車輛開過時有撞擊聲 |
一般 |
無響聲 |
|
表面耐磨性加工性能 (表面另制圖案) |
耐磨 |
一般 |
耐磨(內含耐磨材料) |
|
容易 |
不太容易 |
容易 | |
|
井蓋與井座 |
不好 |
不好 |
好 |
|
尺寸穩定性受壓強度/kN |
一般250 |
一般200 |
一般210 |
|
安裝性能 |
好 |
好 |
好 |
|
耐腐蝕性能 |
易生銹 |
一般 |
好 |
|
耐老化性能 |
好 |
一般 |
好 |
2、4 三種復合材料井蓋的比較
復合材料井蓋可以替代鑄鐵井蓋在不同的條件下使用。高性能纖維增強樹脂基復合材料井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用。表4為三種復合材料井蓋的比較結果。可以看出,FRP井蓋具有其他復合材料井蓋不可比擬的優勢。隨著研制開發的深入,該類井蓋將得到更加廣泛的應用。
目前,鋼纖維混凝土井蓋和再生樹脂復合材料井蓋的綜合性能雖然不如FRP井蓋,但它們的研究開發比較早,已有了相應的行業標準,可以指導國內相應復合材料井蓋的生產,保證了井蓋的質量和市場競爭的秩序?,F在從事FRP井蓋生產的企業越來越多,但其井蓋暫無行業標準,無法統一衡量和評價不同企業的井蓋質量。為了保證FRP井蓋的健康發展,應盡快制定行業標準。
表4 三種復合材料井蓋比較
復合材料井蓋可以替代鑄鐵井蓋在不同的條件下使用。高性能纖維增強樹脂基復合材料井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用。表4為三種復合材料井蓋的比較結果。可以看出,FRP井蓋具有其他復合材料井蓋不可比擬的優勢。隨著研制開發的深入,該類井蓋將得到更加廣泛的應用。
目前,鋼纖維混凝土井蓋和再生樹脂復合材料井蓋的綜合性能雖然不如FRP井蓋,但它們的研究開發比較早,已有了相應的行業標準,可以指導國內相應復合材料井蓋的生產,保證了井蓋的質量和市場競爭的秩序?,F在從事FRP井蓋生產的企業越來越多,但其井蓋暫無行業標準,無法統一衡量和評價不同企業的井蓋質量。為了保證FRP井蓋的健康發展,應盡快制定行業標準。
表4 三種復合材料井蓋比較
|
|
鋼纖維混凝土井蓋 |
再生樹脂復合材料井蓋 |
FRP井蓋 |
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優勢 |
1、回收價值不大 2、制造成本低廉 |
1、無回收利用價值 2、制造成本低廉 |
1、無回收利用價值 2、承載可以達到要求 3、產品表面顏色圖案可設計性強 |
|
缺陷 |
1、材質脆性強,易崩邊,承載能力不夠 2、笨重,開啟困難 |
承載能力不夠,不宜在有車輛通過的地方使用 |
1、制造成本較高 2、抗沖擊性不如鑄鐵井蓋 |
3 發展趨勢和展望
當前,我國國民經濟的快速發展正大力推動著基礎設施建設,井蓋由于在城市規劃和道路建設中大量使用,市場前景十分看好。由于井蓋性能和質量的優劣對公共安全產生重要影響,制定和完善井蓋行業標準具有現實的迫切性和廣泛的社會意義。承載能力是井蓋重要的性能之一。道路上行進的車輛對井蓋產生交變作用載荷,井蓋的疲勞破壞應是嚴重的,因此對井蓋的承載能力的評價除采用靜載試驗之外,更應進行動載試驗研疲勞試驗。疲勞試驗有助于對井蓋使用壽命做出評定,而使用壽命的確定為保證井蓋安全使用提供了依據。
井蓋多應用在城鎮、廠礦及大型物資集散地等地方,使用條件各不相同,應確定相應的使用等級。根據不同的使用條件而制備相應的井蓋產品,不僅可以滿足各種道路、場地的使用要求,確保井蓋在使用過程中的安全可靠性,又可以大程度的合理利用材料,避免造成資源浪費,降低井蓋的生產和使用成本?,F有的建設部行業推薦標準則將鑄鐵井蓋的承載等級分為重型和輕型兩級。借鑒鑄鐵檢查井蓋行業標準,充分考慮井蓋所處道路的交通流量、耐久性要求、節約原材料和方便制造安裝等諸多因素,復合材料井蓋應劃分為多3個不同使用等級,以適應不同條件的道路及場地。根據載荷等級進行井蓋生產,有利于井蓋的安全使用和材料的合理利用,將產生很好的經濟和社會效益。
目前已有大量技術涉及到復合材料井蓋,有越來越多的企業從事復合材料井蓋的研制和生產。隨著我國經濟的持續快速發展,井蓋在城市規劃和道路建設中得到越來越廣泛的應用。這預示著一個新型材料井蓋產業的興起。從技術上講,不同的復合材料井蓋完全可以替代鑄鐵井蓋在不同的條件下使用,高性能FRP井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用。有理由相信,隨著復合材料井蓋性能的進一步提高及推廣力度的加大,它的春天一定會到來。
當前,我國國民經濟的快速發展正大力推動著基礎設施建設,井蓋由于在城市規劃和道路建設中大量使用,市場前景十分看好。由于井蓋性能和質量的優劣對公共安全產生重要影響,制定和完善井蓋行業標準具有現實的迫切性和廣泛的社會意義。承載能力是井蓋重要的性能之一。道路上行進的車輛對井蓋產生交變作用載荷,井蓋的疲勞破壞應是嚴重的,因此對井蓋的承載能力的評價除采用靜載試驗之外,更應進行動載試驗研疲勞試驗。疲勞試驗有助于對井蓋使用壽命做出評定,而使用壽命的確定為保證井蓋安全使用提供了依據。
井蓋多應用在城鎮、廠礦及大型物資集散地等地方,使用條件各不相同,應確定相應的使用等級。根據不同的使用條件而制備相應的井蓋產品,不僅可以滿足各種道路、場地的使用要求,確保井蓋在使用過程中的安全可靠性,又可以大程度的合理利用材料,避免造成資源浪費,降低井蓋的生產和使用成本?,F有的建設部行業推薦標準則將鑄鐵井蓋的承載等級分為重型和輕型兩級。借鑒鑄鐵檢查井蓋行業標準,充分考慮井蓋所處道路的交通流量、耐久性要求、節約原材料和方便制造安裝等諸多因素,復合材料井蓋應劃分為多3個不同使用等級,以適應不同條件的道路及場地。根據載荷等級進行井蓋生產,有利于井蓋的安全使用和材料的合理利用,將產生很好的經濟和社會效益。
目前已有大量技術涉及到復合材料井蓋,有越來越多的企業從事復合材料井蓋的研制和生產。隨著我國經濟的持續快速發展,井蓋在城市規劃和道路建設中得到越來越廣泛的應用。這預示著一個新型材料井蓋產業的興起。從技術上講,不同的復合材料井蓋完全可以替代鑄鐵井蓋在不同的條件下使用,高性能FRP井蓋能替代鑄鐵井蓋在各種條件下使用。有理由相信,隨著復合材料井蓋性能的進一步提高及推廣力度的加大,它的春天一定會到來。










































