纖維增強復合體對水工閘門的適用性

唐斌斌，張 聞，王澤民，厲 凱，王 盼

(揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

1 引言

水工閘門設施是河道的主要構筑物，在防洪和用水工程中起著關鍵作用。目前，這些設施主要使用鋼材。水環境的惡化，使水工鋼閘門腐蝕加重，傳統的防腐工藝保護效果下降。水工閘門總是暴露在嚴重腐蝕的環境因素中，但是目前有效的防腐工程選擇很少。因此，急需開發具有優良耐腐蝕性的先進材料，以減少維護液壓閘門的勞動力和成本。張文淵[1]研究了水工鋼閘門聚酯玻璃鋼復合防腐處理方法，并指出聚酯玻璃鋼復合防腐層的水工鋼閘門防腐工藝具有使用設備少，工藝簡單、防腐效果好、成本低等優點，適用于各種水環境中的各種形式的水工鋼閘門防腐，效果良好。王洪培等[2]對玻璃鋼材料的閘門在洋河水庫除險加固工程中的應用進行研究。鞠志勇等[3]對南水北調淄博段的水工閘門進行研究分析，通過總結不同位置閘門腐蝕情況及現有的防腐措施，分析不同位置閘門腐蝕情況不同的原因。

本文調查玻璃鋼在水工閘門中的應用現狀，并闡明玻璃鋼進入市場所存在的難題，以促進玻璃鋼在水工閘門中的應用。此外，對20個在役玻璃鋼液壓閘門進行現場研究，以了解其實際狀況和性能。此外，還通過加速風化和浸水試驗對水工閘門用玻璃鋼的長期耐久性進行檢驗。

2 研究區概況

太湖流域總面積3.69萬km2，流域河網密布，湖泊眾多，水域面積6134 km2，水面率達17%，河道和湖泊各占一半。面積在0.5 km2以上的湖泊189個。河道總長度12萬km，平原地區河道密度達3.2 km/km2，縱橫交錯，湖泊星羅棋布，為典型“江南水網”。現有常熟樞紐、望亭樞紐、丹金閘樞紐和常州新閘等多座水利工程，為太湖流域防洪、防旱及引江濟太等任務中發揮了重要作用[4]。

對太湖流域的玻璃鋼液壓閘門的應用情況進行調查。調查結果顯示，80%以上的玻璃鋼閘門是在2000年之前建造的，而近年來的建造量顯著下降。采用的玻璃鋼閘門有滑動門、翻板門、卷簾門、旋轉門、人字門、滑動門和斜道；大多數閘門的尺寸都很小。幾乎90%采用玻璃鋼門體的面積小于4.0 m2。假設玻璃鋼難以應用于大型門體，因為玻璃鋼具有低彈性模量和柔性。在目前的狀態下，通過將目標限制在相對小規模(如10 m2或更小)的水工閘門設施上，可有效推廣玻璃鋼的優勢。但是，通過調查顯示，玻璃鋼在玻璃鋼液壓閘門市場中的知名度較低，是阻礙其推廣使用的障礙之一。

3 玻璃鋼在河流環境中的長期耐久性

3.1 現有玻璃鋼水工閘門的現場研究

對20個在役玻璃鋼水工閘門進行現場研究。目測評估河水或紫外線引起的玻璃鋼構件的材料退化。目視檢查結果顯示，所有玻璃鋼閘門除了輕微變色和水漬外，沒有任何嚴重的損壞，盡管它們幾乎沒有被維護過。因此，在同等時間后，玻璃鋼門似乎比鋼門更耐用。

3.2 玻璃鋼門體的拆卸研究

現場研究時，選擇并檢查一個在農業渠道上的玻璃鋼水閘的門體，此閘門的基本情況見表1。

表1 強度試驗選用的玻璃鋼液壓閘門概述

通過使用主梁和拆除的閘門面板進行拉伸試驗。從主梁和面板的浸沒區域(水下區域)和非浸沒區域(水上區域)的截面，將五個試樣分別切成8 mm厚、25 mm寬和250 mm長的塊。為了進行比較，還對新制造的另一個玻璃鋼主梁和面板進行類似的拉伸試驗，該面板的組成與所獲得的舊門體的組成完全相同。玻璃鋼門體拉伸試驗的取樣方法見圖1。試驗后，用掃描電鏡、能譜儀、紅外光譜儀等對樣品進行檢測。

(a)主梁(下游側)

(b)面板(上游側)

表2顯示了部分試驗結果。抗拉強度是玻璃鋼材料的一個弱點，但從試驗結果可以看出關于抗拉強度的數據得到了認可。在任何情況下，兩組玻璃鋼面板的抗拉強度和拉伸模量的平均值基本相同。拉伸試驗后樣品的儀器分析結果顯示玻璃鋼門體的不存在顯著退化情況。

表2 使用35年后的玻璃鋼面板與新制造面板的拉伸性能比較

4 玻璃鋼水工閘門的耐久性試驗

一般來說，用于液壓閘門構件的玻璃鋼是使用手工鋪層、樹脂注射或拉擠成型方法生產的。這些玻璃鋼的基體樹脂是環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂，玻璃纖維用作增強材料。水工閘門構件用玻璃鋼的一般特性見表3。為了獲取關于玻璃鋼長期耐久性的相關數據，進行加速風化試驗和浸水試驗。通過手工鋪層、樹脂注射和拉擠成型制造的玻璃鋼層壓板被用作測試樣品。試樣的尺寸為4 mm～10 mm厚，15 mm寬，200 mm長。在加速風化試驗中，將樣品放入實驗室的加速風化測試儀中，并暴露在氙弧光源下。通過樣品表面光澤度和色差、彎曲強度和彎曲模量來評價紫外輻射對性能的影響。在浸水試驗中，將與加速風化試驗相同的試樣浸入20℃～25℃的水中。通過重量變化、抗彎強度和彎曲模量來評估性能隨水滲透的變化。

在圖2(a)中，在所有情況下，光澤度保持率從曝光開始時顯著降低，然后在大約2500 h曝光時降低到原始光澤度的20%以下。另一方面，圖2(b)顯示，每個玻璃鋼樣品的抗彎強度在暴露于紫外線2500 h前后幾乎沒有變化，盡管拉擠成型的玻璃鋼強度顯示出一些損失。從試驗結果可以確定，玻璃鋼曝光2500 h后，僅表面發生了紫外線對玻璃鋼的降解，這表明實際上玻璃鋼的強度基本保持不變。這種由紫外線引起的玻璃鋼表面的降解情況，可通過用對紫外線輻射具有高抵抗力的凝膠涂層涂覆玻璃鋼表面而得到改善。

表3 水工閘門玻璃鋼構件的一般特性

(a)光澤保持率

(b)抗彎強度保持率

在2500 h的浸泡試驗中，材料膨脹率的最大值為+0.61%，重量變化的最大值約為+1.4%。在三軸彎曲試驗中，玻璃鋼的抗彎強度略有下降。玻璃鋼的強度下降似乎是由吸水膨脹引起的。在這種浸泡試驗中，玻璃鋼的膨脹和強度退化值沒有超過允許的極限，因為玻璃鋼的吸水率很小。

耐久性試驗結果表明，水工閘門用玻璃鋼具有良好的耐水性和耐腐蝕性，但在紫外線照射下外觀會逐漸變差。因此，玻璃鋼似乎特別適合長期浸沒在水環境的水工閘門。

5 結論

研究結果表明，玻璃鋼特別適用于長期浸沒在水環境的水工閘門，因為它們具有優異的耐久性和耐水性或耐腐蝕性，同時又可以避免長時間暴露在陽光下產生缺陷。今后，有必要制定玻璃鋼在水工閘門構件中的應用指南，以提高玻璃鋼的推廣度，促進其在水工閘門行業中的應用。