纖維增強復合材料應用于小型水閘探討

韓仲凱，高印軍，劉 明

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

FRP是一種采用碳纖維、高強玻璃纖維、芳綸或玄武巖纖維等高性能纖維通過與基體材料復合固化形成的高性能建筑材料，具有輕質高強、耐腐蝕、抗老化、易成型、可設計性強等特點。一般工藝下FRP具有4000MPa以上的抗拉強度，比鋼材高10倍以上，具有很好的耐久性，已在建筑、航空航天、國防軍工、體育休閑用品等許多領域得到廣泛應用。

1 國內外應用狀況

目前我國現有小型水閘多為鋼筋混凝土和鑄鐵材料制作而成，受材料本身特性、使用時間、使用環境中不利因素等多方面影響，鑄鐵、混凝土閘門一般都自重大、易腐蝕、壽命低且需經常維修保養，使用成本較高。如何解決普通閘門上述問題，是當前關注的焦點。經理論研究與現場試驗，發現充分應用FRP的輕質高強、耐腐蝕、抗老化、可設計性強等優點，用來制作水工閘門，將其在水利行業中推廣應用，將能很好地解決普通閘門在使用中的一系列問題。

目前，應用FRP設計制造閘門還處于研發階段，我國已經完成了設計、理論分析、制備技術整合、樣品制備，室內試驗測試等研究工作，開始進入現場實體測試和應用階段。在日本和我國的臺灣已有相關研究成果報道，但沒有具體的檢測和應用結果，沒有達到實用推廣的階段。

2 鋼筋混凝土與鑄鐵閘門的優缺點

2.1 優點

1）鋼筋混凝土閘門。鋼筋混凝土閘門可以節約大量的鋼材，能夠就地取材、現場澆筑，而且能夠采用預制構件以及模板施工，減少對機械工廠的依賴。其剛度一般較大，運用比較可靠，而且不需油漆防護，可以改善運用和維護條件。

2）鑄鐵閘門。鑄鐵閘門結構強度高、剛性好、承壓能力大，安裝、調試、使用維護相對方便，可以定型和批量生產，耐磨、耐腐蝕性比混凝土閘門高，較為經濟耐用。

2.2 缺點

由于材料自身特性，他們各自存在的缺點，是無法或者難以通過普通材料彌補的。鑄鐵閘門，若經常處于干濕交替環境、空氣或水中，各種化學介質易產生電化學作用，閘門銹蝕嚴重，壽命短，維修費用高。另外一個很突出的問題是鋼鐵有回收利用價值，所以地處偏僻位置的中小閘門破壞、丟失嚴重。鋼筋混凝土閘門，體積大且笨重，重量可以高出鋼閘門的1.0～1.5倍，導致啟閉機的投資增加。同時，他的抗震性能及抗漂浮物的撞擊能力差，且如長期受到氯離子作用，表面容易剝離老化破壞，保護層破壞后鋼筋裸露銹蝕，影響閘門的壽命。

鑄鐵、混凝土閘門，由于表面易銹蝕和老化破壞，在使用過程中，需要定期做檢修、防護工作，使用成本高。

3 FRP閘門特點

通過與普通閘門的對比，結合FRP閘門的特點，進一步說明FRP應用于水工閘門上的可行性。

3.1 耐久性好，使用壽命長

FRP閘門的耐久性主要表現在耐腐蝕性和耐老化性兩個方面。因為我國的不同地區，酸堿值不一樣，有的河道水偏酸性，有的河道水偏堿性，所以要考慮FRP閘門對酸堿鹽的耐腐蝕性。閘門未浸入水的部分，長期暴露在空氣中，所以另一方面要考慮到它的耐老化性。FRP抗腐能力之所以強，是因為構成FRP的纖維和基體材料都是耐腐蝕較強的非金屬材料，其對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽都有很好的抵抗力，能保證長期使用的可靠性。FRP閘門在裸露空氣耐老化性也比較強。根據試驗數據 （見圖1、圖2），玻璃纖維布裸露在空氣中3年，其強度與模量基本沒有發生變化。根據其他FRP制品在同等環境因素中使用情況的經驗，得出FRP閘門使用年限不會少于50年，且基本是免維修。

圖2 玻璃纖維布彈性模量隨時間變化圖

3.2 強度高，自重輕

FRP強度較高，一般是鋼材的10倍左右，通常FRP模量也比鋼的高很多，所以很容易滿足強度、撓度的要求。同時，纖維復合材料的比強度（σ/γ）約為鋼的5倍，比模量（E/γ）約為鋼的5倍（除玻璃纖維與鋼持平外），所以使用FRP閘門的自重要比同體積鑄鐵閘門、鋼筋混凝土閘門輕很多，這樣就節省了材料，減小了運輸和安裝使用的難度，同時也降低了對啟閉機的要求。

3.3 制造工藝簡單，維護成本較低

滿足了結構的正常使用及結構承載力要求后，還需要考慮FRP閘門造價問題，如果價格高出普通閘門很多，則很難在市場上推廣。目前研究和試驗的高性能FRP閘門，主要采用拉擠、纏繞等工業化成型工藝，只有面皮采用少量低壓接觸工藝（手糊）成型。制作不需要很復雜的機械設備，生產工序較少，最主要的是他可以很容易地制造出薄壁結構，消耗材料和工時少，所以價格便宜。初步估計，FRP閘門價格（按質量計）在35元/kg左右。以山東省濰坊市某節制閘為例，閘門寬度×高度為2.3m×1.8m，普通鑄鐵閘門的價格在11000元左右，而用FRP閘門，需要300kg，價格在10000元左右。但是，從如下幾個方面考慮，會體現其優勢所在。質量上考慮，仍以濰坊某節制閘為例，FRP閘門質量是300kg，鑄鐵閘門是2000多千克，對于啟閉機的要求會小很多。全壽命維護上考慮，鑄鐵閘門及鋼筋混凝土閘門，要定時檢測維護，防銹、防老化處理，而FRP閘門安裝后常規條件下基本免維護，所以在很大程度上降低了運營維護的成本。

3.4 防丟失性好

在實際運行使用中，中小型閘門的丟失司空見慣，小型鑄鐵閘門很容易被盜走變賣。FRP閘門一旦成型，基本沒有回收利用的價值，所以其防丟失性好。

4 FRP應用面臨的問題

FRP閘門及FRP在水利工程中應用的其他形式正在逐步進行研究和推廣，但是在實際應用中還面臨著一些問題。

1）FRP閘門目前在國內外還處于研究、試驗階段，沒有相關的經驗可以借鑒。

2）FRP閘門還缺少相關的標準和規范。由于材料性能差距很大，完全采用鋼閘門規范是不合理的。需要在結構設計、施工安裝、運行管理等方面建立相關的標準體系。

3）FRP閘門作為高性能新型產品，不可能立即在市場上占領優勢，取代普通閘門。我國絕大部分閘門還在正常運行之中，不可能被更換，故在該產品的推廣上還需要時間。

5 結語

FRP是一種能夠帶來結構形式革新的新材料，它會逐步融入到水工結構中。在不久的將來，FRP結構材料的水工建筑肯定會大量出現。對于FRP閘門，只是FRP進入水工結構的一個開端，具有廣闊的應用前景。