纤维增强复合材料应用于小型水闸探讨

韩仲凯，高印军，刘 明

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

FRP是一种采用碳纤维、高强玻璃纤维、芳纶或玄武岩纤维等高性能纤维通过与基体材料复合固化形成的高性能建筑材料，具有轻质高强、耐腐蚀、抗老化、易成型、可设计性强等特点。一般工艺下FRP具有4000MPa以上的抗拉强度，比钢材高10倍以上，具有很好的耐久性，已在建筑、航空航天、国防军工、体育休闲用品等许多领域得到广泛应用。

1 国内外应用状况

目前我国现有小型水闸多为钢筋混凝土和铸铁材料制作而成，受材料本身特性、使用时间、使用环境中不利因素等多方面影响，铸铁、混凝土闸门一般都自重大、易腐蚀、寿命低且需经常维修保养，使用成本较高。如何解决普通闸门上述问题，是当前关注的焦点。经理论研究与现场试验，发现充分应用FRP的轻质高强、耐腐蚀、抗老化、可设计性强等优点，用来制作水工闸门，将其在水利行业中推广应用，将能很好地解决普通闸门在使用中的一系列问题。

目前，应用FRP设计制造闸门还处于研发阶段，我国已经完成了设计、理论分析、制备技术整合、样品制备，室内试验测试等研究工作，开始进入现场实体测试和应用阶段。在日本和我国的台湾已有相关研究成果报道，但没有具体的检测和应用结果，没有达到实用推广的阶段。

2 钢筋混凝土与铸铁闸门的优缺点

2.1 优点

1）钢筋混凝土闸门。钢筋混凝土闸门可以节约大量的钢材，能够就地取材、现场浇筑，而且能够采用预制构件以及模板施工，减少对机械工厂的依赖。其刚度一般较大，运用比较可靠，而且不需油漆防护，可以改善运用和维护条件。

2）铸铁闸门。铸铁闸门结构强度高、刚性好、承压能力大，安装、调试、使用维护相对方便，可以定型和批量生产，耐磨、耐腐蚀性比混凝土闸门高，较为经济耐用。

2.2 缺点

由于材料自身特性，他们各自存在的缺点，是无法或者难以通过普通材料弥补的。铸铁闸门，若经常处于干湿交替环境、空气或水中，各种化学介质易产生电化学作用，闸门锈蚀严重，寿命短，维修费用高。另外一个很突出的问题是钢铁有回收利用价值，所以地处偏僻位置的中小闸门破坏、丢失严重。钢筋混凝土闸门，体积大且笨重，重量可以高出钢闸门的1.0～1.5倍，导致启闭机的投资增加。同时，他的抗震性能及抗漂浮物的撞击能力差，且如长期受到氯离子作用，表面容易剥离老化破坏，保护层破坏后钢筋裸露锈蚀，影响闸门的寿命。

铸铁、混凝土闸门，由于表面易锈蚀和老化破坏，在使用过程中，需要定期做检修、防护工作，使用成本高。

3 FRP闸门特点

通过与普通闸门的对比，结合FRP闸门的特点，进一步说明FRP应用于水工闸门上的可行性。

3.1 耐久性好，使用寿命长

FRP闸门的耐久性主要表现在耐腐蚀性和耐老化性两个方面。因为我国的不同地区，酸碱值不一样，有的河道水偏酸性，有的河道水偏碱性，所以要考虑FRP闸门对酸碱盐的耐腐蚀性。闸门未浸入水的部分，长期暴露在空气中，所以另一方面要考虑到它的耐老化性。FRP抗腐能力之所以强，是因为构成FRP的纤维和基体材料都是耐腐蚀较强的非金属材料，其对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐都有很好的抵抗力，能保证长期使用的可靠性。FRP闸门在裸露空气耐老化性也比较强。根据试验数据 （见图1、图2），玻璃纤维布裸露在空气中3年，其强度与模量基本没有发生变化。根据其他FRP制品在同等环境因素中使用情况的经验，得出FRP闸门使用年限不会少于50年，且基本是免维修。

图2 玻璃纤维布弹性模量随时间变化图

3.2 强度高，自重轻

FRP强度较高，一般是钢材的10倍左右，通常FRP模量也比钢的高很多，所以很容易满足强度、挠度的要求。同时，纤维复合材料的比强度（σ/γ）约为钢的5倍，比模量（E/γ）约为钢的5倍（除玻璃纤维与钢持平外），所以使用FRP闸门的自重要比同体积铸铁闸门、钢筋混凝土闸门轻很多，这样就节省了材料，减小了运输和安装使用的难度，同时也降低了对启闭机的要求。

3.3 制造工艺简单，维护成本较低

满足了结构的正常使用及结构承载力要求后，还需要考虑FRP闸门造价问题，如果价格高出普通闸门很多，则很难在市场上推广。目前研究和试验的高性能FRP闸门，主要采用拉挤、缠绕等工业化成型工艺，只有面皮采用少量低压接触工艺（手糊）成型。制作不需要很复杂的机械设备，生产工序较少，最主要的是他可以很容易地制造出薄壁结构，消耗材料和工时少，所以价格便宜。初步估计，FRP闸门价格（按质量计）在35元/kg左右。以山东省潍坊市某节制闸为例，闸门宽度×高度为2.3m×1.8m，普通铸铁闸门的价格在11000元左右，而用FRP闸门，需要300kg，价格在10000元左右。但是，从如下几个方面考虑，会体现其优势所在。质量上考虑，仍以潍坊某节制闸为例，FRP闸门质量是300kg，铸铁闸门是2000多千克，对于启闭机的要求会小很多。全寿命维护上考虑，铸铁闸门及钢筋混凝土闸门，要定时检测维护，防锈、防老化处理，而FRP闸门安装后常规条件下基本免维护，所以在很大程度上降低了运营维护的成本。

3.4 防丢失性好

在实际运行使用中，中小型闸门的丢失司空见惯，小型铸铁闸门很容易被盗走变卖。FRP闸门一旦成型，基本没有回收利用的价值，所以其防丢失性好。

4 FRP应用面临的问题

FRP闸门及FRP在水利工程中应用的其他形式正在逐步进行研究和推广，但是在实际应用中还面临着一些问题。

1）FRP闸门目前在国内外还处于研究、试验阶段，没有相关的经验可以借鉴。

2）FRP闸门还缺少相关的标准和规范。由于材料性能差距很大，完全采用钢闸门规范是不合理的。需要在结构设计、施工安装、运行管理等方面建立相关的标准体系。

3）FRP闸门作为高性能新型产品，不可能立即在市场上占领优势，取代普通闸门。我国绝大部分闸门还在正常运行之中，不可能被更换，故在该产品的推广上还需要时间。

5 结语

FRP是一种能够带来结构形式革新的新材料，它会逐步融入到水工结构中。在不久的将来，FRP结构材料的水工建筑肯定会大量出现。对于FRP闸门，只是FRP进入水工结构的一个开端，具有广阔的应用前景。