張飛帆,陳曉東

(浙江水利水電專科學(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,纖維的作用是增強基體的強度.由于纖維價格遠(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)過物理化學(xué)處理和機械切削加工成纖維,按需要編織成不同幾何形態(tài)的構(gòu)造單元,然后用樹脂等將其粘結(jié)成形.纖維的原材料是竹材,價格十分低廉,具有推廣應(yīng)用的價值.目前在眾多的竹纖維復(fù)合材料產(chǎn)品研制與開發(fā)利用中,竹纖維增強塑料(BFRP)是比較成熟的一種.BFRP是以竹纖維為增強材料,以樹脂(如環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂以及乙烯基樹脂等)為基體的復(fù)合材料.增強纖維為主要受力成分;樹脂是將纖維粘結(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,國外已作了大量工作,并取得了許有益的成果;近年來國內(nèi)也開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)、制作過程沒有環(huán)境污染.以此為加強材料,可以避免其他有機纖維帶來負(fù)作用.我國竹資源十分豐富,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、簡易家具、地板等,沒有充分利用這一資源.以竹代木、以竹代塑,在我國有著非常重要的意義,充分開發(fā)竹材的用途,提高其利用價值,已被國家確定為重點發(fā)展的技術(shù).另外以塑代鋼是世界性發(fā)展趨勢,開發(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)的社會意義和經(jīng)濟效益.因此如何利用BFRP的特點,充分發(fā)揮優(yōu)勢,是一個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復(fù)合材料,非均質(zhì)結(jié)構(gòu),并未形成層,生長期間沒有橫向增大;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.

竹材的平均抗拉強度在200 MPa,大約是木材的2倍;平均抗壓強度為50 MPa,與木材相差無幾;靜彎曲平均強度為180 MPa;順紋抗剪強度20MPa.與密度一樣,竹材強度與竹種產(chǎn)地、竹齡、竹材的含水量有關(guān);另外竹材的不同生長部位對抗拉強度也有一定的影響,如竹節(jié)間的抗拉強度較節(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)相對均勻的竹段,機械加工成長細(xì)大于50的竹絲,經(jīng)人工或機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)氧樹脂是應(yīng)用最較廣泛的膠粘劑,其他纖維增強復(fù)合材料大多都使用環(huán)氧樹脂.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)氧樹脂,用途非常廣泛.

甲醛類合成樹脂膠粘劑,包括脲醛樹脂膠粘劑、酚醛樹脂膠粘劑和三聚氰胺樹脂膠粘劑.這類膠粘劑分子量低、潤濕性好、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)氧樹脂等材料的價格要低得多[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,樹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)氧樹脂為基體的復(fù)合材料,環(huán)氧樹脂粘度較大,與竹纖維粘結(jié)力強,在熱壓固化過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,把樹脂噴灑在纖維上使之表面濕潤并均勻滲透竹細(xì)胞內(nèi)外空間,當(dāng)基體開始有固化跡象時置于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,不足之處是由于沒有加壓,樹脂與纖維的粘結(jié)不充分,致使材料的性能不穩(wěn)定.以甲醛類合成樹脂膠粘劑為基體的BFRP制作大多可用這類方法,因為基體稠度小,易于流動,固化時間短,從而成形容易.制作管材之類的軸對稱型構(gòu)件時還可以通過模具的旋轉(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材料中,以環(huán)氧樹脂為基體的板材試件是通過熱壓法制成;以脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺樹脂為基體的管材試件是通過滲入法制成.

這兩種方法都存在著提高竹纖維與基體的粘結(jié)力的問題,即如何處理竹纖維的表面.因為竹材的成份非常復(fù)雜,且吸水性很強,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,這些方法處理起來周期較長,清洗困難,消耗水量大.本文試驗采用高壓蒸煮法,在3～4個大氣壓下,纖維于沸騰水中蒸煮半小時;清洗后用清水蒸煮半小時;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,同時也為了徹底隔離竹子中的水分,我們對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[5].

3 BFRP的部分試驗

竹纖維增強后,塑料基體的各種物理、力學(xué)性能指標(biāo)都有顯著的改善.特別是抗拉強度、抗壓強度、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)試驗的資料,列出不同物理、力學(xué)參數(shù).可以看出經(jīng)過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,平均抗拉強度為180MPa;竹纖維長度不小于500 mm,橫向長度不大于1.0 mm,按經(jīng)6緯4編織.

試驗設(shè)備為常規(guī)的材料力學(xué)試驗儀器.試驗的試件中,Ⅰ類是環(huán)氧樹脂基體;Ⅱ類是脲醛樹脂基體;Ⅲ類是酚醛樹脂基體;Ⅳ類是三聚氰胺樹脂基體;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的抗拉強度 MPa

表4 BFRP的抗壓強度 MPa

表5 BFRP的彎曲抗壓強度 MPa

表6 BFRP的抗拉疲勞壽命 ×104Hz

表7 竹纖維含水量對增強塑料的抗拉強度的影響 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.目前我國在該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料的力學(xué)性能及管與管之間的接口強度上,均與國外同類產(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)濟效益非常顯著,具有十分廣闊的應(yīng)用前景.同時大直徑BFRP管道屬于柔性管,具有管、土共同作用的受力特點及良好的適應(yīng)變形能力,因此對于抵抗地基沉陷變形是十分有利的.對埋地柔性管的工作機理及管、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、開發(fā)提供必要的理論、實驗依據(jù).同時,對塑料管材在市政、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)灌溉的運行條件,管道系統(tǒng)的工作壓力一般不超過200 kPa,管道最遠(yuǎn)處出水口壓力一般控制在2～3 kPa.

對于有壓管道來說,引起斷裂破壞的主要作用力是內(nèi)部壓力,對于無壓管道而言,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內(nèi)部不承壓的無壓狀態(tài),因此,需要根據(jù)實際應(yīng)用情況對薄壁管承受外壓的能力進(jìn)行分析評價.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)中的一根無限柱體.因此可沿管道縱軸線垂直截取一單位長度的管片,作為平面應(yīng)變問題處理.根據(jù)我國當(dāng)前管道施工技術(shù)規(guī)定,要求施工時對回填土的夯實質(zhì)量應(yīng)達(dá)到回填土的最大夯實密度的95%,因此對管道回填土應(yīng)盡最大可能夯實,達(dá)到較高密實度,實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,因此計算時應(yīng)采用各自的變形模量E、泊松比μ、材料的容重γ.

用有限元法對管道受力進(jìn)行分析時,采用高精度6結(jié)點三角形單元,單元的6個結(jié)點是三角形的3個角點及3個邊的中點.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,除了根據(jù)土體及埋地管的特性,對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,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)點編號之間設(shè)置耦合集,對兩個不同的節(jié)點,在徑向設(shè)約束,環(huán)向放開,允許管、土之間發(fā)生環(huán)向移動.回填土與地基接觸面認(rèn)為是完全接觸.

計算參數(shù)時考慮在工程中常遇到的土類:回填土為亞粘土,對于埋地柔性管來說,回填土的密實度越好,作用在管頂上的土壓力越小.地基剛性對管上的垂直土壓力的影響也不同.一般來說,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).對于柔性管來說,在一定的填土高度下,這樣的計算條件管頂所受的垂直土壓力是最小的.具體取值見表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 選用的計算參數(shù)

自重荷載計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》,地面堆積荷載一般按10kN/ 計算;在農(nóng)忙季節(jié)田間有活荷載農(nóng)業(yè)機械通過,車輛輪壓按汽-10級單個輪壓考慮,取為35 kN.計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

研究結(jié)果表明BFRP的性能良好,經(jīng)濟效益明顯.發(fā)展BFRP的生產(chǎn),可充分利用我國的竹材資源,解決農(nóng)村竹材沒有銷路的問題.特別是BFRP的具有一定的強度,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)一步擴大應(yīng)用范圍,還有一些重要的技術(shù)問題有待解決.

(1)由于竹結(jié)構(gòu)比較致密,浸潤性較差,對樹脂等膠粘劑的吸附性不強,因此需要對竹纖維進(jìn)行一定的表面處理,改善浸潤性,同時對竹纖維不會損傷.

(2)為了提高BFRP的質(zhì)量,降低成本價格,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大,否則會影響膠滲透組織致密的竹材中;也不能太小,會出現(xiàn)固化慢、有膠溢出.

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

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

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