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复合材料专家谈井盖

为了解决铸铁井盖的被盗问题,科技人员、企业界研究开发了不少新型井盖,这些井盖主要是复合材料井盖,因其无回收利用价值而受到用户的关注。随着复合材料井盖的日益进步和成功应用,用户正在逐步认可并接受。最近两年来,复合材料井盖的生产企业如雨后春笋,各种材料的井盖蜂拥而上,由于没有全国性的、高水准的标准,其产品质量参差不齐,令用户着实担忧。甚至让刚刚对复合材料井盖有些了解和兴趣的用户及主管部门对复合材料能否做出满足使用需要的井盖都表示怀疑。针对这一些情况,我们特邀我国复合材料专家,对复合材料及复合井盖进行介绍和解析。

一、复合材料是国家扶持的朝阳产业

材料是人类进步的里程碑,材料又是技术进步的关键。早在20世纪70年代,美国就把材料比作现代工业的骨肉,能源比作血液。现在,人们把能源、材料、信息和生物工程誉为现代文明四大支柱。现今的材料一般分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料四大类,而复合材料又是材料领域的后起之秀,是新材料的重要增长点。

根据国际标准化组织(ISO)为复合材料所下的定义:复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。通俗地讲:复合材料是由两种或两种以上的不同的材料复合在一起形成1+1>2的效果的材料。

复合井盖材料的最大特点是性能的可设计性。复合材料的发明和应用,就是为解决单一传统材料(金属、无机非金属及高分子材料等)不能解决的工程技术难题。在高科技领域:复合材料主要用于解决耐高温结构、太空飞行器结构、复合装甲结构、透波、隐形、机敏、烧蚀、生物工程材料等尖端技术;在一般工程中:复合材料的应用效果也很显著,而且在有效利用资源、节能和降低工程造价等方面,都能取得更好的经济效益和社会效益。正因为如此,世界先进国家都把复合材料作为极有发展前途的新材料,列入国家关键技术发展规划。我国把新材料(尤其是复合材料)也列为国家重点扶持的产业。

二、用复合材料做井盖,材质上、技术上、经济上可行

从构思上分析:用复合材料做井盖,利用其产品无回收价值(或回收价值不高)而解决井盖被盗问题。同时,利用复合材料的某些自身特性(如防腐、不生锈、颜色可调等)满足用户防腐、美观等要求。因此,用复合材料做井盖,思路可取。

复合材料的种类很多,在我国已有3000多种,用不同材质、不同技术可制造不同复合材料。仅从材质上、技术上讲,用复合材料可以制作出用户的任何性能要求的复合材料井盖。但要生产出具有高承载能力、综合性能优异的、而且制造成本低廉的、在市场上具有竞争优势的复合材料井盖,可供选择的材质和技术则很少。

近几年来,我国复合材料取得了较快的发展,从目前生产复合材料井盖所采用的各种材料和工艺技术来看,用复合材料作井盖,材质上、技术上、经济上完全可行。目前市面上的非金属材料井盖均可称为复合材料井盖,归纳起来有用钢筋及钢纤维增强水泥的钢纤维混凝土井盖,用竹纤维增强菱镁水泥的菱镁井盖,用粉煤灰增强再生树脂的再生树脂井盖,用钢筋及短玻璃纤维增强不饱各树脂的SMC/BMC模压井盖,用连续纤维增强不饮和树脂的分层复合井盖。

井盖的结构不同承载能力不同、材质不同承载能力不同、相同结构和材质而采用的工艺不同则承载能力及综合性能大相径庭。要对井盖的性能进行评价,必须对不同井盖所用的材质进行分析。

三、复合材料井盖承载能力分析

井盖在道路上使用,要满足各种车辆的碾压。井盖的一项重要指标是承载能力(试验荷载),试验荷载的高低即代表着井盖承载能力的高低。因此,用复合材料做井盖,必须具有足够的承载能力以满足使用要求。

1、从结构上分析:井盖是受力结构产品,井盖上部受压,而下部受拉。根据复合材料的可设计性,可以根据井盖不同部位的受力要求而设计、使用不同复合材料。同时设计井盖的合理结构,使复合材料受力均匀,从结构上让复合材料受力更合理,让井盖承载能力更高。

2、从材质上分析:要提高井盖的承载能力,应从以下几个方面考虑:

1)纤维的增强效果,大大优于颗粒的增强效果;

2)纤维含量越高,其增强效果越好,井盖承载能力越强;

3)连续纤维的增强效果,大大的高于短纤维的增强效果。在复合材料中,30-50mm短纤维的抗拉强度仅为连续纤维强度的20-30%;

4)增强材料与基体材料界面结合好坏,直接影响增强效果。钢纤维在混凝土中一般未作处理(即使处理,在混凝土中有水、有氧的情况下,表面亦生锈),界面结合一般不理想;而现在玻璃纤维表面一般有浸润剂,在不饱和树脂中使用时,界面结合较好;

3、几种不同复合材料的增强效果比较如下:

粉煤灰增强再生树脂≤竹纤维增强菱镁水泥<钢纤维增强混凝土<短纤维增强不饱和树脂≤连续纤维增强不饱和树脂。

四、复合材料井盖使用寿命分析

影响复合材料井盖使用寿命的因素很多,归纳起来有:基体材料的强度及稳定性,增强材料的强度及稳定性,材料复合过程的界面结合效果,井盖露天部分的耐磨、耐老化性能,井盖的使用条件等,几种材料的稳定性及效果比较如下:

1、基体材料的强度:

菱镁水泥<混凝土<再生树脂<不饱和树脂

2、基体材料稳定性:

菱镁水泥≤混凝土<再生树脂<不饱和树脂

3、增强材料的强度:

粉煤灰≤竹纤维≤玻璃纤维<钢纤维

4、增强材料稳定性:

竹纤维在菱镁水泥中<钢纤维在混凝土中<钢筋在不饱和树脂中<玻璃纤维在不饱和树脂中

5、界面结合效果:

菱镁水泥与竹纤维<混凝土与钢纤维或钢筋<钢筋与不饱和树脂<再生树脂与粉煤灰<不饱和树脂与玻璃纤维

6、耐磨效果:

菱镁水泥<再生树脂+粉煤灰<不饱和树脂+细颗粒碳酸钙或滑石粉<混凝土<不饱和树脂+石英砂

7、耐老化效果:

菱镁水泥<再生树脂<不饱和树脂<不饱和树脂+光稳定剂<混凝土

五、各种复合材料井盖性能比较

对市面上几种复合材料的使用状况进行了调查,走访大量用户,几种复合材料井盖在使用中各有优缺点:

1、钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土井盖是在钢筋混凝土井盖基础上改进发展起来的。由于材质脆性强,强度不够,在混凝土中加入长度为10-30mm的钢纤维,以提高混凝土材料的整体强度,承载能力比普通钢筋混凝土井盖有所增加。因使用过程中崩边现象比较严重,生产企业常常在井盖外边加一金属框予以保护。

优点:A、防盗;

B、便宜。

缺点:A、承载不够,加之水泥强度的衰减,易破碎;

B、太笨重,开启困难。

2、菱镁水泥井盖

菱镁水泥是用轻烧氧化镁、氯化镁、水按一定比例混合形成的一种无机材料。以菱镁水泥为基体,复合材料往往用作通风管道。但在露天等条件恶劣条件下使用较少,用这种材料作的井盖,在空气干燥时,由于材质是带结晶水的晶型结构,往往会因失水而粉化,最后导致无承载能力。2003年哈尔滨9岁少年在井盖上玩耍掉入井中淹死,当时这井盖就是用菱镁水泥作基体材料,用竹纤维作增强材料做成的井盖。这种井盖新品的承载能力较高,几年后因失去结晶水粉化而失去承载能力。

优点:A、防盗;

B、便宜;

缺点:A、承载能力不够;

B、材质不稳定,失去结晶水后会导致材质粉化而无强度。

3、再生树脂复合材料井盖

利用废旧塑料与粉煤灰在熔融状态下混炼、压制成型,这是一种热塑性复合材料。用这种材料制作井盖构思非常好:再生塑料很廉价,粉煤灰则是国家税收扶持使用的材料。因此,此项目曾得到过国家大力支持,并形成了建设部的标准,几年前曾在全国各地大量推广应用。由于无纤维作增强材料,承载力不够,加之热塑性材料(即加热软化、熔融),在气温较高时,加之车辆反复碾压,井盖会不断产生蠕变,导致井盖中间部位不断下沉,最后脱落形成一个比井盖稍小的洞,形成另一种形式的陷阱。

优点:A、防盗;

B、便宜;

缺点:A、承载能力不够,只能用于绿化带等地段;

B、热塑性、蠕变。

4、SMC/BMC模压井盖

SMC/BMC(片状模塑料/团状塑料)是用不饱和树脂作基体材料,用30-50mm短纤维作增强材料,用碳酸钙作填料,预制的一种模塑料。SMC/BMC模压井盖就是将模塑料加入钢筋在一定温度和压力下压制成型。这种井盖因增强材料采用的是短纤维(30-50mm短纤维形成复合材料的强度只有连续纤维20-30%),井盖结构上采用的是平板底部加肋,这种增强材料及井盖结构导致井盖承载能力严重不足,只能加入钢筋以增加荷载。而钢筋的加入,形成材质具有两大缺陷:①钢筋表面有锈,往往导致材料界面结合不好(如果复合材料界面结合不好,就不会产生1+1>2的效果);②钢筋是金属材料,SMC/BMC是非金属材料,两种材料因热膨胀系数的差异。在不同温度下(早、中、晚、冬天、夏天)材料界面将会形成应力,加之车辆反复碾压,会导致钢筋与SMC/BMC脱离,最后导致井盖失去承载能力(具体多长时间失去承载能力,取决于企

业制作过程中复合工艺和使用条件,也许2-3年,也许更长)。

优点:A、防盗;

B、外观精致;

缺点:A、承载能力不够;

B、因加入钢筋,界面脱离后会导致失去承载能力。

5、分层复合井盖

这种复合材料井盖是用不饱和聚酯树脂作基体材料,用玻璃纤维作增强材料,辅以一定刚性材料。结构上采用锅底结构,底部抗拉材料受力均匀;材质上分上下两层,上部采用耐磨、耐老化材料,产品的使用寿命长。下部采用连续玻璃纤维增强,可以使井盖具有足够的承载能力,而不需任何钢筋增强。是几种复合材料井盖中综合性能较好的一种材料井盖。

优点:A、防盗;B、承载能力高;C、外观漂亮。

缺点:A、表面硬度高、而脆性稍高;B、价格稍高。

六、分析结论

通过对几种复合材料从结构、材质、工艺上进行分析,对几种复合材料使用情况进行调查,对几种复合材料井盖进行比较发现:

1、菱镁水泥井盖是不宜于使用的;

2、钢纤维混凝土井盖是基体材料较差,加之,在混凝土中加入钢纤维的量极少,钢纤维混凝土井盖的承载力严重不足,材质的脆性仍然较高;

3、再生树脂井盖的增强材料的增强效果低,井盖的承载能力严重不足,如果能用一部分纤维(尤其是连续纤维)则井盖的承载能力将大大提高;

4、SMC/BMC模压井盖的基体材料综合性能较好,但因增强材料是短纤维,增强效果有限。用钢筋补强,则因金属与非金属材料界面结合和热膨胀系数不同而有缺陷,产品在机动车上使用,其后期承载能力无法评价;

5、分层复合材料井盖用不饱和树脂作基体材料,用连续玻璃纤维作增强材料的复合材料井盖,因结构上采用锅底结构,材料受力均匀,并使用连续纤维增强,不用钢筋增强,材质均为复合材料,井盖的承载能力及后期承载能力有保障,从承载能力角度看,使用寿命较长;井盖采取分层复合,露天部分采用耐磨、耐老化材料制作,从耐车辆碾压和耐老化角度看,使用寿命相对较长。

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