BFRP管材在节水灌溉工程中的应用研究

张飞帆,陈晓东

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

常规的复合材料是纤维与基体共同承受荷载,纤维的作用是增强基体的强度.由于纤维价格远高于基体,所以目前很多复合材料的纤维含量并不太高.尽管如此,复合材料还是一种价格昂贵的材料,难以大量应用于民用工业.

竹纤维复合材料是以竹材为主要原料,经过物理化学处理和机械切削加工成纤维,按需要编织成不同几何形态的构造单元,然后用树脂等将其粘结成形.纤维的原材料是竹材,价格十分低廉,具有推广应用的价值.目前在众多的竹纤维复合材料产品研制与开发利用中,竹纤维增强塑料(BFRP)是比较成熟的一种.BFRP是以竹纤维为增强材料,以树脂(如环氧树脂、不饱和聚脂树脂以及乙烯基树脂等)为基体的复合材料.增强纤维为主要受力成分;树脂是将纤维粘结成整体,即能使纤维整体受力,又能保护纤维免受机械破损或化学腐蚀.这种新型材料在工程中的应用研究,国外已作了大量工作,并取得了许有益的成果;近年来国内也开展了一些探讨性的研究,以及尝试性的应用与小范围推广[1].

竹纤维是一种生物材料,在生产、制作过程没有环境污染.以此为加强材料,可以避免其他有机纤维带来负作用.我国竹资源十分丰富,年产量占世界总产量的1/3,约1.5亿t.但目前竹材用作工程材料,仅限于生产工艺品、简易家具、地板等,没有充分利用这一资源.以竹代木、以竹代塑,在我国有着非常重要的意义,充分开发竹材的用途,提高其利用价值,已被国家确定为重点发展的技术.另外以塑代钢是世界性发展趋势,开发高性能,低成本的大型塑料制品,是塑料行业技术发展方向之一[2].研制BFRP能利用丰富的天然资源,开辟结构材料的新品种,又有利于环境保护、生态平衡及节约能源,具有深远的社会意义和经济效益.因此如何利用BFRP的特点,充分发挥优势,是一个非常有前景的研究领域[3].

1 BFRP的基本组份

目前应用较多的BFRP,如板材、管材等,主要的组份材料是加工成纤维状的竹材和成形固化后起着基体作用的胶粘剂.

竹材本身就是一种天然的纤维增强复合材料,非均质结构,并未形成层,生长期间没有横向增大;各类细胞与竹茎纵向平行排列.竹材的化学成分主要有纤维素、半纤维素、木质素及多缩戊糖,这三大部分占有95%以上的比例.

竹材的平均抗拉强度在200 MPa,大约是木材的2倍;平均抗压强度为50 MPa,与木材相差无几;静弯曲平均强度为180 MPa;顺纹抗剪强度20MPa.与密度一样,竹材强度与竹种产地、竹龄、竹材的含水量有关;另外竹材的不同生长部位对抗拉强度也有一定的影响,如竹节间的抗拉强度较节部高.竹材的平均弹性模量为顺纹抗拉12 GPa;顺纹抗压6 GPa;静弯曲接近10 GPa.

在目前常用的竹材人造板、管的生产中,常用的竹纤维是挑选材质相对均匀的竹段,机械加工成长细大于50的竹丝,经人工或机械编织成竹席或竹帘.再使用各种胶粘剂将其固定成为工程所需要的构件形状.

环氧树脂是应用最较广泛的胶粘剂,其他纤维增强复合材料大多都使用环氧树脂.当前一些先进的复合材料,如有玻璃纤维、碳纤维等增加环氧树脂,用途非常广泛.

甲醛类合成树脂胶粘剂,包括脲醛树脂胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂和三聚氰胺树脂胶粘剂.这类胶粘剂分子量低、润湿性好、含有活性反应基团,能与竹材产生良好的粘结作用;还具有良好的耐水性和耐化学药剂腐蚀性,是一类性能良好的胶粘剂.此外这类胶粘剂非常便宜,比环氧树脂等材料的价格要低得多[4].

2 BFRP的制作方法

制作BFRP的方法有两大类.一类是仿照常规复合材料的热压法;另一类是渐进式树脂渗入法.

热压复合法是将编织成形的竹纤维经碾压展开,树脂均匀地包裹竹纤维,逐层铺在模子内,经热压固化.这类工艺较适用于环氧树脂为基体的复合材料,环氧树脂粘度较大,与竹纤维粘结力强,在热压固化过程中能充分填充纤维之间的空隙,而且能很好地保护纤维,是制作复合材料最常用的方法.目前BFRP板材等大多使用这种工艺.

渗入法是将成形的竹纤维置于容器中,把树脂喷洒在纤维上使之表面湿润并均匀渗透竹细胞内外空间,当基体开始有固化迹象时置于60℃以上的的温度环境中完全固化.这种工艺可以制作非标准型材料,不足之处是由于没有加压,树脂与纤维的粘结不充分,致使材料的性能不稳定.以甲醛类合成树脂胶粘剂为基体的BFRP制作大多可用这类方法,因为基体稠度小,易于流动,固化时间短,从而成形容易.制作管材之类的轴对称型构件时还可以通过模具的旋转,施加离心力,起到热压作用,提高材料的均匀性和强度指标,这是一种较新的生产工艺.

在本文研究工作所使用的试验材料中,以环氧树脂为基体的板材试件是通过热压法制成;以脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺树脂为基体的管材试件是通过渗入法制成.

这两种方法都存在着提高竹纤维与基体的粘结力的问题,即如何处理竹纤维的表面.因为竹材的成份非常复杂,且吸水性很强,糖份含量也多.水、糖是影响纤维与基体粘结的主要因素之一,因此竹材的除水、除糖是关键环节.

在国内通常采用的方法是碱洗、中和水洗、石灰水浸泡等等,这些方法处理起来周期较长,清洗困难,消耗水量大.本文试验采用高压蒸煮法,在3～4个大气压下,纤维于沸腾水中蒸煮半小时;清洗后用清水蒸煮半小时;清洗干净后再用中性洗涤剂,浸泡二十分钟左右;清净放入真空干燥箱内,在80℃、760mmHg下烘干脱水3 h备用.

为了使竹子表面不与聚合物中单体发生作用,同时也为了彻底隔离竹子中的水分,我们对竹子表面还使用多种表面改性剂进行改性.其中有改性剂A-2、B-1已酰化,酚醛胶,尼龙胶及环氧胶等,使纤维与基体界面接触能力加强[5].

3 BFRP的部分试验

竹纤维增强后,塑料基体的各种物理、力学性能指标都有显著的改善.特别是抗拉强度、抗压强度、疲劳寿命以及材料的韧性等参数都有大幅度地提高.

表1～表7是根据试验的资料,列出不同物理、力学参数.可以看出经过BFRP材料,许多性能的指标都能满足工程需要.

本文所采用的竹材是皖南歙县出产的5年毛竹,平均抗拉强度为180MPa;竹纤维长度不小于500 mm,横向长度不大于1.0 mm,按经6纬4编织.

试验设备为常规的材料力学试验仪器.试验的试件中,Ⅰ类是环氧树脂基体;Ⅱ类是脲醛树脂基体;Ⅲ类是酚醛树脂基体;Ⅳ类是三聚氰胺树脂基体;Ⅴ类是MC尼龙.Ⅰ类基体为热压法制作,其他类为渗入法制成[6].

表1 BFRP的密度 g/cm3

表2 BFRP的弹性模量 GPa

表3 BFRP的抗拉强度 MPa

表4 BFRP的抗压强度 MPa

表5 BFRP的弯曲抗压强度 MPa

表6 BFRP的抗拉疲劳寿命 ×104Hz

表7 竹纤维含水量对增强塑料的抗拉强度的影响 MPa

4 BFRP管材结构的受力分析

常用的低压管道输水系统均为薄壁管,最大直径在200 mm左右.然而目前随着低压管道输水系统在井灌区大面积推广的基础上,又向渠灌区发展.渠灌区管网系统一般控制面积都较大,引取水流量大,输配水管网级数多,管径也较大,最小也在300mm以上,大者可达600～800 mm.因此要想在渠灌区推广低压管道输水技术,首先要解决的就是大口径管材.目前我国在该产品的结构设计、材料的力学性能及管与管之间的接口强度上,均与国外同类产品有较大差距,特别是600 mm以上大口径管材我国目前应用较少.

BFRP管材作为一种新型的管道材料,正趋于替代金属或其他传统的管道材料,且经济效益非常显著,具有十分广阔的应用前景.同时大直径BFRP管道属于柔性管,具有管、土共同作用的受力特点及良好的适应变形能力,因此对于抵抗地基沉陷变形是十分有利的.对埋地柔性管的工作机理及管、土共同工作的规律进行研究、分析,将为新型管材的研究、开发提供必要的理论、实验依据.同时,对塑料管材在市政、石油、水利、通讯、供电、及交通等工程中的研究应用,也具有非常重要的参考意义.

根据低压管道输水系统灌溉的运行条件,管道系统的工作压力一般不超过200 kPa,管道最远处出水口压力一般控制在2～3 kPa.

对于有压管道来说,引起断裂破坏的主要作用力是内部压力,对于无压管道而言,其破坏则是由外部荷载造成的,由于地埋式低压输水灌溉管道存在着水放空时内部不承压的无压状态,因此,需要根据实际应用情况对薄壁管承受外压的能力进行分析评价.图1是作用在管道上垂直压力与填土高度的关系曲线,表8是各种塑料管材的力学性能.敷设在地下的管道,可看作置于弹性介质中的一根无限柱体.因此可沿管道纵轴线垂直截取一单位长度的管片,作为平面应变问题处理.根据我国当前管道施工技术规定,要求施工时对回填土的夯实质量应达到回填土的最大夯实密度的95%,因此对管道回填土应尽最大可能夯实,达到较高密实度,实际工程中一般非高填土条件下,管道周边上的土壤应力值比较低,都处于非极限范围,因此对管道周围土壤及地基可近似地理想化为直线变形介质.由于管道本身的材料、地基及管周回填土介质的物理力学性质是不同的,因此计算时应采用各自的变形模量E、泊松比μ、材料的容重γ.

用有限元法对管道受力进行分析时,采用高精度6结点三角形单元,单元的6个结点是三角形的3个角点及3个边的中点.底部采用链杆支座,不允许有垂直方向位移;两侧有支承,其只能发生垂直位移;填土表面属于自由边界.土体与埋地管的相互作用时,除了根据土体及埋地管的特性,对于土体与埋地管间的接触面,应给以注意.分析土体与埋地管结构相互作用时,认为管、土接触面为非完全接触,径向位移相等,环向发生滑移.将管、土接触面上在同一位置,不同节点编号之间设置耦合集,对两个不同的节点,在径向设约束,环向放开,允许管、土之间发生环向移动.回填土与地基接触面认为是完全接触.

计算参数时考虑在工程中常遇到的土类:回填土为亚粘土,对于埋地柔性管来说,回填土的密实度越好,作用在管顶上的土压力越小.地基刚性对管上的垂直土压力的影响也不同.一般来说,地基刚性越大,管顶垂直土压力就越小;反之,地基刚性越小,管上土压力就越大.因此,地基采用硬基作为计算条件,考虑到管道的施工情况,地基在回填土之前已充分回弹,地基土呈自然平衡状态.对于柔性管来说,在一定的填土高度下,这样的计算条件管顶所受的垂直土压力是最小的.具体取值见表9.

图1 作用在管道上垂直压力与填土高度的关系曲线

表8 塑料管材的力学性能

表9 选用的计算参数

自重荷载计入管道自重和土体自重.在正常情况下,低压管道输水系统管子只承受土压力.根据《特种结构地基基础手册》,地面堆积荷载一般按10kN/ 计算;在农忙季节田间有活荷载农业机械通过,车辆轮压按汽-10级单个轮压考虑,取为35 kN.计算中取两者中的最大值.

表10给出直径D=630 mm的竹纤维MC尼龙管,在不同埋深和壁厚的受力分析结果[7-8].

表10 管径为630 mm的竹纤维MC尼龙受力分析

5 结 语

研究结果表明BFRP的性能良好,经济效益明显.发展BFRP的生产,可充分利用我国的竹材资源,解决农村竹材没有销路的问题.特别是BFRP的具有一定的强度,可以作为许多土建工程的主、次承力构件;耐腐性比钢材好,可以应用于交通运输、建筑行业、管道、家具等领域.本文围绕BFRP大口径管材的有关内容所做的工作,显示了BFRP管材在输水管道中的应用与开发是值得进行研究与探讨的.

当然要提高BFRP的质量和性能,进一步扩大应用范围,还有一些重要的技术问题有待解决.

(1)由于竹结构比较致密,浸润性较差,对树脂等胶粘剂的吸附性不强,因此需要对竹纤维进行一定的表面处理,改善浸润性,同时对竹纤维不会损伤.

(2)为了提高BFRP的质量,降低成本价格,应严格控制胶粘剂的用量,以能把纤维完全粘结即可.这就要求胶的粘度不能过大,否则会影响胶渗透组织致密的竹材中;也不能太小,会出现固化慢、有胶溢出.

(3)由于竹材各部位的性能有差异,只取最佳部位会造成相当大的浪费.如何兼顾使用,也是一个需要进一步解决的问题.

(4)竹材是生物材料,本身含有糖等有机物,且含水量较大.加工处理如不充分,有可能会受霉菌侵蚀.如何防霉也是生产BFRP的关键.

[1]华毓坤.中国竹材复合材料的发展[J].人造板通讯,2001(10):12-18.

[2]张齐生.中国竹材工业化利用[M].北京:中国林业出版社,1995:1-25.

[3]赵仁杰,喻云水.竹材人造板工艺学[M].北京:中国林业出版社,2002:19-28.

[4]冼杏娟,冼定国,叶颖薇.竹纤维增强树脂复合材料及其微观形貌[M].北京:科学出版社,1995:52-68.

[5]汪克来,蔡 键.BFRP材料性能研究[J].安徽建筑工业学院学报,2005,13(2):25-28.

[6]梅百雨,蔡 敏.BFRP埋地管道应用与理论分析[J].安徽建筑工业学院学报,2007,15(3):17-20.

[7]颜大为,蔡 敏.竹塑复合材料力学性能分析研究[J].安徽建筑工业学院学报,2006,14(8):19-22.

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