韓仲凱，高印軍，劉 明

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

FRP是一種采用碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維、芳綸或玄武巖纖維等高性能纖維通過與基體材料復(fù)合固化形成的高性能建筑材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化、易成型、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。一般工藝下FRP具有4000MPa以上的抗拉強(qiáng)度，比鋼材高10倍以上，具有很好的耐久性，已在建筑、航空航天、國防軍工、體育休閑用品等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 國內(nèi)外應(yīng)用狀況

目前我國現(xiàn)有小型水閘多為鋼筋混凝土和鑄鐵材料制作而成，受材料本身特性、使用時間、使用環(huán)境中不利因素等多方面影響，鑄鐵、混凝土閘門一般都自重大、易腐蝕、壽命低且需經(jīng)常維修保養(yǎng)，使用成本較高。如何解決普通閘門上述問題，是當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)理論研究與現(xiàn)場試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充分應(yīng)用FRP的輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用來制作水工閘門，將其在水利行業(yè)中推廣應(yīng)用，將能很好地解決普通閘門在使用中的一系列問題。

目前，應(yīng)用FRP設(shè)計(jì)制造閘門還處于研發(fā)階段，我國已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)、理論分析、制備技術(shù)整合、樣品制備，室內(nèi)試驗(yàn)測試等研究工作，開始進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)體測試和應(yīng)用階段。在日本和我國的臺灣已有相關(guān)研究成果報(bào)道，但沒有具體的檢測和應(yīng)用結(jié)果，沒有達(dá)到實(shí)用推廣的階段。

2 鋼筋混凝土與鑄鐵閘門的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）鋼筋混凝土閘門。鋼筋混凝土閘門可以節(jié)約大量的鋼材，能夠就地取材、現(xiàn)場澆筑，而且能夠采用預(yù)制構(gòu)件以及模板施工，減少對機(jī)械工廠的依賴。其剛度一般較大，運(yùn)用比較可靠，而且不需油漆防護(hù)，可以改善運(yùn)用和維護(hù)條件。

2）鑄鐵閘門。鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛性好、承壓能力大，安裝、調(diào)試、使用維護(hù)相對方便，可以定型和批量生產(chǎn)，耐磨、耐腐蝕性比混凝土閘門高，較為經(jīng)濟(jì)耐用。

2.2 缺點(diǎn)

由于材料自身特性，他們各自存在的缺點(diǎn)，是無法或者難以通過普通材料彌補(bǔ)的。鑄鐵閘門，若經(jīng)常處于干濕交替環(huán)境、空氣或水中，各種化學(xué)介質(zhì)易產(chǎn)生電化學(xué)作用，閘門銹蝕嚴(yán)重，壽命短，維修費(fèi)用高。另外一個很突出的問題是鋼鐵有回收利用價(jià)值，所以地處偏僻位置的中小閘門破壞、丟失嚴(yán)重。鋼筋混凝土閘門，體積大且笨重，重量可以高出鋼閘門的1.0～1.5倍，導(dǎo)致啟閉機(jī)的投資增加。同時，他的抗震性能及抗漂浮物的撞擊能力差，且如長期受到氯離子作用，表面容易剝離老化破壞，保護(hù)層破壞后鋼筋裸露銹蝕，影響閘門的壽命。

鑄鐵、混凝土閘門，由于表面易銹蝕和老化破壞，在使用過程中，需要定期做檢修、防護(hù)工作，使用成本高。

3 FRP閘門特點(diǎn)

通過與普通閘門的對比，結(jié)合FRP閘門的特點(diǎn)，進(jìn)一步說明FRP應(yīng)用于水工閘門上的可行性。

3.1 耐久性好，使用壽命長

FRP閘門的耐久性主要表現(xiàn)在耐腐蝕性和耐老化性兩個方面。因?yàn)槲覈牟煌貐^(qū)，酸堿值不一樣，有的河道水偏酸性，有的河道水偏堿性，所以要考慮FRP閘門對酸堿鹽的耐腐蝕性。閘門未浸入水的部分，長期暴露在空氣中，所以另一方面要考慮到它的耐老化性。FRP抗腐能力之所以強(qiáng)，是因?yàn)闃?gòu)成FRP的纖維和基體材料都是耐腐蝕較強(qiáng)的非金屬材料，其對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽都有很好的抵抗力，能保證長期使用的可靠性。FRP閘門在裸露空氣耐老化性也比較強(qiáng)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) （見圖1、圖2），玻璃纖維布裸露在空氣中3年，其強(qiáng)度與模量基本沒有發(fā)生變化。根據(jù)其他FRP制品在同等環(huán)境因素中使用情況的經(jīng)驗(yàn)，得出FRP閘門使用年限不會少于50年，且基本是免維修。

圖2 玻璃纖維布彈性模量隨時間變化圖

3.2 強(qiáng)度高，自重輕

FRP強(qiáng)度較高，一般是鋼材的10倍左右，通常FRP模量也比鋼的高很多，所以很容易滿足強(qiáng)度、撓度的要求。同時，纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度（σ/γ）約為鋼的5倍，比模量（E/γ）約為鋼的5倍（除玻璃纖維與鋼持平外），所以使用FRP閘門的自重要比同體積鑄鐵閘門、鋼筋混凝土閘門輕很多，這樣就節(jié)省了材料，減小了運(yùn)輸和安裝使用的難度，同時也降低了對啟閉機(jī)的要求。

3.3 制造工藝簡單，維護(hù)成本較低

滿足了結(jié)構(gòu)的正常使用及結(jié)構(gòu)承載力要求后，還需要考慮FRP閘門造價(jià)問題，如果價(jià)格高出普通閘門很多，則很難在市場上推廣。目前研究和試驗(yàn)的高性能FRP閘門，主要采用拉擠、纏繞等工業(yè)化成型工藝，只有面皮采用少量低壓接觸工藝（手糊）成型。制作不需要很復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，生產(chǎn)工序較少，最主要的是他可以很容易地制造出薄壁結(jié)構(gòu)，消耗材料和工時少，所以價(jià)格便宜。初步估計(jì)，F(xiàn)RP閘門價(jià)格（按質(zhì)量計(jì)）在35元/kg左右。以山東省濰坊市某節(jié)制閘為例，閘門寬度×高度為2.3m×1.8m，普通鑄鐵閘門的價(jià)格在11000元左右，而用FRP閘門，需要300kg，價(jià)格在10000元左右。但是，從如下幾個方面考慮，會體現(xiàn)其優(yōu)勢所在。質(zhì)量上考慮，仍以濰坊某節(jié)制閘為例，F(xiàn)RP閘門質(zhì)量是300kg，鑄鐵閘門是2000多千克，對于啟閉機(jī)的要求會小很多。全壽命維護(hù)上考慮，鑄鐵閘門及鋼筋混凝土閘門，要定時檢測維護(hù)，防銹、防老化處理，而FRP閘門安裝后常規(guī)條件下基本免維護(hù)，所以在很大程度上降低了運(yùn)營維護(hù)的成本。

3.4 防丟失性好

在實(shí)際運(yùn)行使用中，中小型閘門的丟失司空見慣，小型鑄鐵閘門很容易被盜走變賣。FRP閘門一旦成型，基本沒有回收利用的價(jià)值，所以其防丟失性好。

4 FRP應(yīng)用面臨的問題

FRP閘門及FRP在水利工程中應(yīng)用的其他形式正在逐步進(jìn)行研究和推廣，但是在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著一些問題。

1）FRP閘門目前在國內(nèi)外還處于研究、試驗(yàn)階段，沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

2）FRP閘門還缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于材料性能差距很大，完全采用鋼閘門規(guī)范是不合理的。需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行管理等方面建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3）FRP閘門作為高性能新型產(chǎn)品，不可能立即在市場上占領(lǐng)優(yōu)勢，取代普通閘門。我國絕大部分閘門還在正常運(yùn)行之中，不可能被更換，故在該產(chǎn)品的推廣上還需要時間。

5 結(jié)語

FRP是一種能夠帶來結(jié)構(gòu)形式革新的新材料，它會逐步融入到水工結(jié)構(gòu)中。在不久的將來，F(xiàn)RP結(jié)構(gòu)材料的水工建筑肯定會大量出現(xiàn)。對于FRP閘門，只是FRP進(jìn)入水工結(jié)構(gòu)的一個開端，具有廣闊的應(yīng)用前景。