纤维增强复合体对水工闸门的适用性

唐斌斌，张 闻，王泽民，厉 凯，王 盼

(扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

1 引言

水工闸门设施是河道的主要构筑物，在防洪和用水工程中起着关键作用。目前，这些设施主要使用钢材。水环境的恶化，使水工钢闸门腐蚀加重，传统的防腐工艺保护效果下降。水工闸门总是暴露在严重腐蚀的环境因素中，但是目前有效的防腐工程选择很少。因此，急需开发具有优良耐腐蚀性的先进材料，以减少维护液压闸门的劳动力和成本。张文渊[1]研究了水工钢闸门聚酯玻璃钢复合防腐处理方法，并指出聚酯玻璃钢复合防腐层的水工钢闸门防腐工艺具有使用设备少，工艺简单、防腐效果好、成本低等优点，适用于各种水环境中的各种形式的水工钢闸门防腐，效果良好。王洪培等[2]对玻璃钢材料的闸门在洋河水库除险加固工程中的应用进行研究。鞠志勇等[3]对南水北调淄博段的水工闸门进行研究分析，通过总结不同位置闸门腐蚀情况及现有的防腐措施，分析不同位置闸门腐蚀情况不同的原因。

本文调查玻璃钢在水工闸门中的应用现状，并阐明玻璃钢进入市场所存在的难题，以促进玻璃钢在水工闸门中的应用。此外，对20个在役玻璃钢液压闸门进行现场研究，以了解其实际状况和性能。此外，还通过加速风化和浸水试验对水工闸门用玻璃钢的长期耐久性进行检验。

2 研究区概况

太湖流域总面积3.69万km2，流域河网密布，湖泊众多，水域面积6134 km2，水面率达17%，河道和湖泊各占一半。面积在0.5 km2以上的湖泊189个。河道总长度12万km，平原地区河道密度达3.2 km/km2，纵横交错，湖泊星罗棋布，为典型“江南水网”。现有常熟枢纽、望亭枢纽、丹金闸枢纽和常州新闸等多座水利工程，为太湖流域防洪、防旱及引江济太等任务中发挥了重要作用[4]。

对太湖流域的玻璃钢液压闸门的应用情况进行调查。调查结果显示，80%以上的玻璃钢闸门是在2000年之前建造的，而近年来的建造量显著下降。采用的玻璃钢闸门有滑动门、翻板门、卷帘门、旋转门、人字门、滑动门和斜道；大多数闸门的尺寸都很小。几乎90%采用玻璃钢门体的面积小于4.0 m2。假设玻璃钢难以应用于大型门体，因为玻璃钢具有低弹性模量和柔性。在目前的状态下，通过将目标限制在相对小规模(如10 m2或更小)的水工闸门设施上，可有效推广玻璃钢的优势。但是，通过调查显示，玻璃钢在玻璃钢液压闸门市场中的知名度较低，是阻碍其推广使用的障碍之一。

3 玻璃钢在河流环境中的长期耐久性

3.1 现有玻璃钢水工闸门的现场研究

对20个在役玻璃钢水工闸门进行现场研究。目测评估河水或紫外线引起的玻璃钢构件的材料退化。目视检查结果显示，所有玻璃钢闸门除了轻微变色和水渍外，没有任何严重的损坏，尽管它们几乎没有被维护过。因此，在同等时间后，玻璃钢门似乎比钢门更耐用。

3.2 玻璃钢门体的拆卸研究

现场研究时，选择并检查一个在农业渠道上的玻璃钢水闸的门体，此闸门的基本情况见表1。

表1 强度试验选用的玻璃钢液压闸门概述

通过使用主梁和拆除的闸门面板进行拉伸试验。从主梁和面板的浸没区域(水下区域)和非浸没区域(水上区域)的截面，将五个试样分别切成8 mm厚、25 mm宽和250 mm长的块。为了进行比较，还对新制造的另一个玻璃钢主梁和面板进行类似的拉伸试验，该面板的组成与所获得的旧门体的组成完全相同。玻璃钢门体拉伸试验的取样方法见图1。试验后，用扫描电镜、能谱仪、红外光谱仪等对样品进行检测。

(a)主梁(下游侧)

(b)面板(上游侧)

表2显示了部分试验结果。抗拉强度是玻璃钢材料的一个弱点，但从试验结果可以看出关于抗拉强度的数据得到了认可。在任何情况下，两组玻璃钢面板的抗拉强度和拉伸模量的平均值基本相同。拉伸试验后样品的仪器分析结果显示玻璃钢门体的不存在显著退化情况。

表2 使用35年后的玻璃钢面板与新制造面板的拉伸性能比较

4 玻璃钢水工闸门的耐久性试验

一般来说，用于液压闸门构件的玻璃钢是使用手工铺层、树脂注射或拉挤成型方法生产的。这些玻璃钢的基体树脂是环氧树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基酯树脂，玻璃纤维用作增强材料。水工闸门构件用玻璃钢的一般特性见表3。为了获取关于玻璃钢长期耐久性的相关数据，进行加速风化试验和浸水试验。通过手工铺层、树脂注射和拉挤成型制造的玻璃钢层压板被用作测试样品。试样的尺寸为4 mm～10 mm厚，15 mm宽，200 mm长。在加速风化试验中，将样品放入实验室的加速风化测试仪中，并暴露在氙弧光源下。通过样品表面光泽度和色差、弯曲强度和弯曲模量来评价紫外辐射对性能的影响。在浸水试验中，将与加速风化试验相同的试样浸入20℃～25℃的水中。通过重量变化、抗弯强度和弯曲模量来评估性能随水渗透的变化。

在图2(a)中，在所有情况下，光泽度保持率从曝光开始时显著降低，然后在大约2500 h曝光时降低到原始光泽度的20%以下。另一方面，图2(b)显示，每个玻璃钢样品的抗弯强度在暴露于紫外线2500 h前后几乎没有变化，尽管拉挤成型的玻璃钢强度显示出一些损失。从试验结果可以确定，玻璃钢曝光2500 h后，仅表面发生了紫外线对玻璃钢的降解，这表明实际上玻璃钢的强度基本保持不变。这种由紫外线引起的玻璃钢表面的降解情况，可通过用对紫外线辐射具有高抵抗力的凝胶涂层涂覆玻璃钢表面而得到改善。

表3 水工闸门玻璃钢构件的一般特性

(a)光泽保持率

(b)抗弯强度保持率

在2500 h的浸泡试验中，材料膨胀率的最大值为+0.61%，重量变化的最大值约为+1.4%。在三轴弯曲试验中，玻璃钢的抗弯强度略有下降。玻璃钢的强度下降似乎是由吸水膨胀引起的。在这种浸泡试验中，玻璃钢的膨胀和强度退化值没有超过允许的极限，因为玻璃钢的吸水率很小。

耐久性试验结果表明，水工闸门用玻璃钢具有良好的耐水性和耐腐蚀性，但在紫外线照射下外观会逐渐变差。因此，玻璃钢似乎特别适合长期浸没在水环境的水工闸门。

5 结论

研究结果表明，玻璃钢特别适用于长期浸没在水环境的水工闸门，因为它们具有优异的耐久性和耐水性或耐腐蚀性，同时又可以避免长时间暴露在阳光下产生缺陷。今后，有必要制定玻璃钢在水工闸门构件中的应用指南，以提高玻璃钢的推广度，促进其在水工闸门行业中的应用。