BFRP管材在節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用研究

張飛帆,陳曉東

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

常規(guī)的復(fù)合材料是纖維與基體共同承受荷載,纖維的作用是增強(qiáng)基體的強(qiáng)度.由于纖維價(jià)格遠(yuǎn)高于基體,所以目前很多復(fù)合材料的纖維含量并不太高.盡管如此,復(fù)合材料還是一種價(jià)格昂貴的材料,難以大量應(yīng)用于民用工業(yè).

竹纖維復(fù)合材料是以竹材為主要原料,經(jīng)過(guò)物理化學(xué)處理和機(jī)械切削加工成纖維,按需要編織成不同幾何形態(tài)的構(gòu)造單元,然后用樹(shù)脂等將其粘結(jié)成形.纖維的原材料是竹材,價(jià)格十分低廉,具有推廣應(yīng)用的價(jià)值.目前在眾多的竹纖維復(fù)合材料產(chǎn)品研制與開(kāi)發(fā)利用中,竹纖維增強(qiáng)塑料(BFRP)是比較成熟的一種.BFRP是以竹纖維為增強(qiáng)材料,以樹(shù)脂(如環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚脂樹(shù)脂以及乙烯基樹(shù)脂等)為基體的復(fù)合材料.增強(qiáng)纖維為主要受力成分;樹(shù)脂是將纖維粘結(jié)成整體,即能使纖維整體受力,又能保護(hù)纖維免受機(jī)械破損或化學(xué)腐蝕.這種新型材料在工程中的應(yīng)用研究,國(guó)外已作了大量工作,并取得了許有益的成果;近年來(lái)國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了一些探討性的研究,以及嘗試性的應(yīng)用與小范圍推廣[1].

竹纖維是一種生物材料,在生產(chǎn)、制作過(guò)程沒(méi)有環(huán)境污染.以此為加強(qiáng)材料,可以避免其他有機(jī)纖維帶來(lái)負(fù)作用.我國(guó)竹資源十分豐富,年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/3,約1.5億t.但目前竹材用作工程材料,僅限于生產(chǎn)工藝品、簡(jiǎn)易家具、地板等,沒(méi)有充分利用這一資源.以竹代木、以竹代塑,在我國(guó)有著非常重要的意義,充分開(kāi)發(fā)竹材的用途,提高其利用價(jià)值,已被國(guó)家確定為重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù).另外以塑代鋼是世界性發(fā)展趨勢(shì),開(kāi)發(fā)高性能,低成本的大型塑料制品,是塑料行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向之一[2].研制BFRP能利用豐富的天然資源,開(kāi)辟結(jié)構(gòu)材料的新品種,又有利于環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡及節(jié)約能源,具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益.因此如何利用BFRP的特點(diǎn),充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì),是一個(gè)非常有前景的研究領(lǐng)域[3].

1 BFRP的基本組份

目前應(yīng)用較多的BFRP,如板材、管材等,主要的組份材料是加工成纖維狀的竹材和成形固化后起著基體作用的膠粘劑.

竹材本身就是一種天然的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,非均質(zhì)結(jié)構(gòu),并未形成層,生長(zhǎng)期間沒(méi)有橫向增大;各類細(xì)胞與竹莖縱向平行排列.竹材的化學(xué)成分主要有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及多縮戊糖,這三大部分占有95%以上的比例.

竹材的平均抗拉強(qiáng)度在200 MPa,大約是木材的2倍;平均抗壓強(qiáng)度為50 MPa,與木材相差無(wú)幾;靜彎曲平均強(qiáng)度為180 MPa;順紋抗剪強(qiáng)度20MPa.與密度一樣,竹材強(qiáng)度與竹種產(chǎn)地、竹齡、竹材的含水量有關(guān);另外竹材的不同生長(zhǎng)部位對(duì)抗拉強(qiáng)度也有一定的影響,如竹節(jié)間的抗拉強(qiáng)度較節(jié)部高.竹材的平均彈性模量為順紋抗拉12 GPa;順紋抗壓6 GPa;靜彎曲接近10 GPa.

在目前常用的竹材人造板、管的生產(chǎn)中,常用的竹纖維是挑選材質(zhì)相對(duì)均勻的竹段,機(jī)械加工成長(zhǎng)細(xì)大于50的竹絲,經(jīng)人工或機(jī)械編織成竹席或竹簾.再使用各種膠粘劑將其固定成為工程所需要的構(gòu)件形狀.

環(huán)氧樹(shù)脂是應(yīng)用最較廣泛的膠粘劑,其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料大多都使用環(huán)氧樹(shù)脂.當(dāng)前一些先進(jìn)的復(fù)合材料,如有玻璃纖維、碳纖維等增加環(huán)氧樹(shù)脂,用途非常廣泛.

甲醛類合成樹(shù)脂膠粘劑,包括脲醛樹(shù)脂膠粘劑、酚醛樹(shù)脂膠粘劑和三聚氰胺樹(shù)脂膠粘劑.這類膠粘劑分子量低、潤(rùn)濕性好、含有活性反應(yīng)基團(tuán),能與竹材產(chǎn)生良好的粘結(jié)作用;還具有良好的耐水性和耐化學(xué)藥劑腐蝕性,是一類性能良好的膠粘劑.此外這類膠粘劑非常便宜,比環(huán)氧樹(shù)脂等材料的價(jià)格要低得多[4].

2 BFRP的制作方法

制作BFRP的方法有兩大類.一類是仿照常規(guī)復(fù)合材料的熱壓法;另一類是漸進(jìn)式樹(shù)脂滲入法.

熱壓復(fù)合法是將編織成形的竹纖維經(jīng)碾壓展開(kāi),樹(shù)脂均勻地包裹竹纖維,逐層鋪在模子內(nèi),經(jīng)熱壓固化.這類工藝較適用于環(huán)氧樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料,環(huán)氧樹(shù)脂粘度較大,與竹纖維粘結(jié)力強(qiáng),在熱壓固化過(guò)程中能充分填充纖維之間的空隙,而且能很好地保護(hù)纖維,是制作復(fù)合材料最常用的方法.目前BFRP板材等大多使用這種工藝.

滲入法是將成形的竹纖維置于容器中,把樹(shù)脂噴灑在纖維上使之表面濕潤(rùn)并均勻滲透竹細(xì)胞內(nèi)外空間,當(dāng)基體開(kāi)始有固化跡象時(shí)置于60℃以上的的溫度環(huán)境中完全固化.這種工藝可以制作非標(biāo)準(zhǔn)型材料,不足之處是由于沒(méi)有加壓,樹(shù)脂與纖維的粘結(jié)不充分,致使材料的性能不穩(wěn)定.以甲醛類合成樹(shù)脂膠粘劑為基體的BFRP制作大多可用這類方法,因?yàn)榛w稠度小,易于流動(dòng),固化時(shí)間短,從而成形容易.制作管材之類的軸對(duì)稱型構(gòu)件時(shí)還可以通過(guò)模具的旋轉(zhuǎn),施加離心力,起到熱壓作用,提高材料的均勻性和強(qiáng)度指標(biāo),這是一種較新的生產(chǎn)工藝.

在本文研究工作所使用的試驗(yàn)材料中,以環(huán)氧樹(shù)脂為基體的板材試件是通過(guò)熱壓法制成;以脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和三聚氰胺樹(shù)脂為基體的管材試件是通過(guò)滲入法制成.

這兩種方法都存在著提高竹纖維與基體的粘結(jié)力的問(wèn)題,即如何處理竹纖維的表面.因?yàn)橹癫牡某煞莘浅?fù)雜,且吸水性很強(qiáng),糖份含量也多.水、糖是影響纖維與基體粘結(jié)的主要因素之一,因此竹材的除水、除糖是關(guān)鍵環(huán)節(jié).

在國(guó)內(nèi)通常采用的方法是堿洗、中和水洗、石灰水浸泡等等,這些方法處理起來(lái)周期較長(zhǎng),清洗困難,消耗水量大.本文試驗(yàn)采用高壓蒸煮法,在3～4個(gè)大氣壓下,纖維于沸騰水中蒸煮半小時(shí);清洗后用清水蒸煮半小時(shí);清洗干凈后再用中性洗滌劑,浸泡二十分鐘左右;清凈放入真空干燥箱內(nèi),在80℃、760mmHg下烘干脫水3 h備用.

為了使竹子表面不與聚合物中單體發(fā)生作用,同時(shí)也為了徹底隔離竹子中的水分,我們對(duì)竹子表面還使用多種表面改性劑進(jìn)行改性.其中有改性劑A-2、B-1已酰化,酚醛膠,尼龍膠及環(huán)氧膠等,使纖維與基體界面接觸能力加強(qiáng)[5].

3 BFRP的部分試驗(yàn)

竹纖維增強(qiáng)后,塑料基體的各種物理、力學(xué)性能指標(biāo)都有顯著的改善.特別是抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、疲勞壽命以及材料的韌性等參數(shù)都有大幅度地提高.

表1～表7是根據(jù)試驗(yàn)的資料,列出不同物理、力學(xué)參數(shù).可以看出經(jīng)過(guò)BFRP材料,許多性能的指標(biāo)都能滿足工程需要.

本文所采用的竹材是皖南歙縣出產(chǎn)的5年毛竹,平均抗拉強(qiáng)度為180MPa;竹纖維長(zhǎng)度不小于500 mm,橫向長(zhǎng)度不大于1.0 mm,按經(jīng)6緯4編織.

試驗(yàn)設(shè)備為常規(guī)的材料力學(xué)試驗(yàn)儀器.試驗(yàn)的試件中,Ⅰ類是環(huán)氧樹(shù)脂基體;Ⅱ類是脲醛樹(shù)脂基體;Ⅲ類是酚醛樹(shù)脂基體;Ⅳ類是三聚氰胺樹(shù)脂基體;Ⅴ類是MC尼龍.Ⅰ類基體為熱壓法制作,其他類為滲入法制成[6].

表1 BFRP的密度 g/cm3

表2 BFRP的彈性模量 GPa

表3 BFRP的抗拉強(qiáng)度 MPa

表4 BFRP的抗壓強(qiáng)度 MPa

表5 BFRP的彎曲抗壓強(qiáng)度 MPa

表6 BFRP的抗拉疲勞壽命 ×104Hz

表7 竹纖維含水量對(duì)增強(qiáng)塑料的抗拉強(qiáng)度的影響 MPa

4 BFRP管材結(jié)構(gòu)的受力分析

常用的低壓管道輸水系統(tǒng)均為薄壁管,最大直徑在200 mm左右.然而目前隨著低壓管道輸水系統(tǒng)在井灌區(qū)大面積推廣的基礎(chǔ)上,又向渠灌區(qū)發(fā)展.渠灌區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)一般控制面積都較大,引取水流量大,輸配水管網(wǎng)級(jí)數(shù)多,管徑也較大,最小也在300mm以上,大者可達(dá)600～800 mm.因此要想在渠灌區(qū)推廣低壓管道輸水技術(shù),首先要解決的就是大口徑管材.目前我國(guó)在該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的力學(xué)性能及管與管之間的接口強(qiáng)度上,均與國(guó)外同類產(chǎn)品有較大差距,特別是600 mm以上大口徑管材我國(guó)目前應(yīng)用較少.

BFRP管材作為一種新型的管道材料,正趨于替代金屬或其他傳統(tǒng)的管道材料,且經(jīng)濟(jì)效益非常顯著,具有十分廣闊的應(yīng)用前景.同時(shí)大直徑BFRP管道屬于柔性管,具有管、土共同作用的受力特點(diǎn)及良好的適應(yīng)變形能力,因此對(duì)于抵抗地基沉陷變形是十分有利的.對(duì)埋地柔性管的工作機(jī)理及管、土共同工作的規(guī)律進(jìn)行研究、分析,將為新型管材的研究、開(kāi)發(fā)提供必要的理論、實(shí)驗(yàn)依據(jù).同時(shí),對(duì)塑料管材在市政、石油、水利、通訊、供電、及交通等工程中的研究應(yīng)用,也具有非常重要的參考意義.

根據(jù)低壓管道輸水系統(tǒng)灌溉的運(yùn)行條件,管道系統(tǒng)的工作壓力一般不超過(guò)200 kPa,管道最遠(yuǎn)處出水口壓力一般控制在2～3 kPa.

對(duì)于有壓管道來(lái)說(shuō),引起斷裂破壞的主要作用力是內(nèi)部壓力,對(duì)于無(wú)壓管道而言,其破壞則是由外部荷載造成的,由于地埋式低壓輸水灌溉管道存在著水放空時(shí)內(nèi)部不承壓的無(wú)壓狀態(tài),因此,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)薄壁管承受外壓的能力進(jìn)行分析評(píng)價(jià).圖1是作用在管道上垂直壓力與填土高度的關(guān)系曲線,表8是各種塑料管材的力學(xué)性能.敷設(shè)在地下的管道,可看作置于彈性介質(zhì)中的一根無(wú)限柱體.因此可沿管道縱軸線垂直截取一單位長(zhǎng)度的管片,作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理.根據(jù)我國(guó)當(dāng)前管道施工技術(shù)規(guī)定,要求施工時(shí)對(duì)回填土的夯實(shí)質(zhì)量應(yīng)達(dá)到回填土的最大夯實(shí)密度的95%,因此對(duì)管道回填土應(yīng)盡最大可能夯實(shí),達(dá)到較高密實(shí)度,實(shí)際工程中一般非高填土條件下,管道周邊上的土壤應(yīng)力值比較低,都處于非極限范圍,因此對(duì)管道周圍土壤及地基可近似地理想化為直線變形介質(zhì).由于管道本身的材料、地基及管周回填土介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)是不同的,因此計(jì)算時(shí)應(yīng)采用各自的變形模量E、泊松比μ、材料的容重γ.

用有限元法對(duì)管道受力進(jìn)行分析時(shí),采用高精度6結(jié)點(diǎn)三角形單元,單元的6個(gè)結(jié)點(diǎn)是三角形的3個(gè)角點(diǎn)及3個(gè)邊的中點(diǎn).底部采用鏈桿支座,不允許有垂直方向位移;兩側(cè)有支承,其只能發(fā)生垂直位移;填土表面屬于自由邊界.土體與埋地管的相互作用時(shí),除了根據(jù)土體及埋地管的特性,對(duì)于土體與埋地管間的接觸面,應(yīng)給以注意.分析土體與埋地管結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),認(rèn)為管、土接觸面為非完全接觸,徑向位移相等,環(huán)向發(fā)生滑移.將管、土接觸面上在同一位置,不同節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間設(shè)置耦合集,對(duì)兩個(gè)不同的節(jié)點(diǎn),在徑向設(shè)約束,環(huán)向放開(kāi),允許管、土之間發(fā)生環(huán)向移動(dòng).回填土與地基接觸面認(rèn)為是完全接觸.

計(jì)算參數(shù)時(shí)考慮在工程中常遇到的土類:回填土為亞粘土,對(duì)于埋地柔性管來(lái)說(shuō),回填土的密實(shí)度越好,作用在管頂上的土壓力越小.地基剛性對(duì)管上的垂直土壓力的影響也不同.一般來(lái)說(shuō),地基剛性越大,管頂垂直土壓力就越小;反之,地基剛性越小,管上土壓力就越大.因此,地基采用硬基作為計(jì)算條件,考慮到管道的施工情況,地基在回填土之前已充分回彈,地基土呈自然平衡狀態(tài).對(duì)于柔性管來(lái)說(shuō),在一定的填土高度下,這樣的計(jì)算條件管頂所受的垂直土壓力是最小的.具體取值見(jiàn)表9.

圖1 作用在管道上垂直壓力與填土高度的關(guān)系曲線

表8 塑料管材的力學(xué)性能

表9 選用的計(jì)算參數(shù)

自重荷載計(jì)入管道自重和土體自重.在正常情況下,低壓管道輸水系統(tǒng)管子只承受土壓力.根據(jù)《特種結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)手冊(cè)》,地面堆積荷載一般按10kN/ 計(jì)算;在農(nóng)忙季節(jié)田間有活荷載農(nóng)業(yè)機(jī)械通過(guò),車輛輪壓按汽-10級(jí)單個(gè)輪壓考慮,取為35 kN.計(jì)算中取兩者中的最大值.

表10給出直徑D=630 mm的竹纖維MC尼龍管,在不同埋深和壁厚的受力分析結(jié)果[7-8].

表10 管徑為630 mm的竹纖維MC尼龍受力分析

5 結(jié) 語(yǔ)

研究結(jié)果表明BFRP的性能良好,經(jīng)濟(jì)效益明顯.發(fā)展BFRP的生產(chǎn),可充分利用我國(guó)的竹材資源,解決農(nóng)村竹材沒(méi)有銷路的問(wèn)題.特別是BFRP的具有一定的強(qiáng)度,可以作為許多土建工程的主、次承力構(gòu)件;耐腐性比鋼材好,可以應(yīng)用于交通運(yùn)輸、建筑行業(yè)、管道、家具等領(lǐng)域.本文圍繞BFRP大口徑管材的有關(guān)內(nèi)容所做的工作,顯示了BFRP管材在輸水管道中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)是值得進(jìn)行研究與探討的.

當(dāng)然要提高BFRP的質(zhì)量和性能,進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍,還有一些重要的技術(shù)問(wèn)題有待解決.

(1)由于竹結(jié)構(gòu)比較致密,浸潤(rùn)性較差,對(duì)樹(shù)脂等膠粘劑的吸附性不強(qiáng),因此需要對(duì)竹纖維進(jìn)行一定的表面處理,改善浸潤(rùn)性,同時(shí)對(duì)竹纖維不會(huì)損傷.

(2)為了提高BFRP的質(zhì)量,降低成本價(jià)格,應(yīng)嚴(yán)格控制膠粘劑的用量,以能把纖維完全粘結(jié)即可.這就要求膠的粘度不能過(guò)大,否則會(huì)影響膠滲透組織致密的竹材中;也不能太小,會(huì)出現(xiàn)固化慢、有膠溢出.

(3)由于竹材各部位的性能有差異,只取最佳部位會(huì)造成相當(dāng)大的浪費(fèi).如何兼顧使用,也是一個(gè)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題.

(4)竹材是生物材料,本身含有糖等有機(jī)物,且含水量較大.加工處理如不充分,有可能會(huì)受霉菌侵蝕.如何防霉也是生產(chǎn)BFRP的關(guān)鍵.

[1]華毓坤.中國(guó)竹材復(fù)合材料的發(fā)展[J].人造板通訊,2001(10):12-18.

[2]張齊生.中國(guó)竹材工業(yè)化利用[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1995:1-25.

[3]趙仁杰,喻云水.竹材人造板工藝學(xué)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2002:19-28.

[4]冼杏娟,冼定國(guó),葉穎薇.竹纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料及其微觀形貌[M].北京:科學(xué)出版社,1995:52-68.

[5]汪克來(lái),蔡 鍵.BFRP材料性能研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,13(2):25-28.

[6]梅百雨,蔡 敏.BFRP埋地管道應(yīng)用與理論分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,15(3):17-20.

[7]顏大為,蔡 敏.竹塑復(fù)合材料力學(xué)性能分析研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,14(8):19-22.

[8]張 志,蔡 敏.BFRP預(yù)應(yīng)力混凝土的試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2007(2):18-21.