碳纤维复合材料井盖研究综述

摘 要：本文针对国内井盖研究发展情况和市政道路中常出现的城市“黑洞”问题，阐述了井盖的发展现状，结合碳纤维混凝土加固的国内外发展和使用情况，提出碳纤维复合材料的新型井盖研发思路，具有一定研发推广价值，此技术可以从根本上杜绝井盖被盗的问题。

关键词：碳纤维；复合材料；井盖

中图分类号：TU531.6

1 引言

一般按照材料特性将井盖分为铸铁（包括灰口铸铁和球墨铸铁）、复合材料、水泥及菱镁等几种井盖。传统的水泥混凝土井盖具有造价低、制造方便、取材方便等优势，但其脆性大、易老化、易断裂；目前国内常用的井盖还是以铸铁的（含球墨铸铁）[1]为主。铸铁井盖最突出的优点是强度高、使用寿命长、工艺成熟。但其造价高，防盗性差。主要是因其材料可以回收利用，因而容易被盗，这不仅造成巨大的经济损失，还会引发严重的安全问题。通过安装防盗装置会进一步增加井盖的成本，因而，为解决此问题，采用没有回收利用价值的复合材料井盖就是最佳的选择。目前市政工程中的复合材料井盖存在承压能力低、易老化变形等问题，因此在传统的井盖基础上引进高强度新材料开发能够保证承载力、耐久性好且无回收利用价值的复合材料井盖是一个值得关注的研究方向。

2 碳纤维加固混凝土的国内外研究概况

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

2.1国外研究现状

碳纤维加固技术最初起源于德国和瑞士，接着日本也进入了碳纤维加固行业，并且迅速的推广了碳纤维加固技术，加固范围和加固领域也一直在不断扩大和延伸，而运用碳纤维材料加固的最主要对象为钢筋混凝土结构。欧美及日本的大量研究机构从上个世纪的八十年代开始就通过科研实践，对碳纤维加固技术进行深入研究，现在在全世界都在广泛的使用这项加固技术，此方法已经成为了一种常用的加固方法[2]。

Shahawy[3]在对CFRP 加固梁的疲劳性能和静力性能研究方面，通过试验结果分析研究得出了混凝土强度等级、碳纤维布加固层数和碳纤维的不通加固方式对梁的静力性能影响较大，尤其是对梁的极限承载力以及混凝土的延性性能方面影响较大。同时此文还研究了加固梁的疲劳性能，通过研究结果得出利用碳纤维加固对混凝土梁的疲劳性能也有显著影响，利用碳纤维加固能使梁具有很好的疲劳性能。得出结论如下：CFRP 加固在很大作用上能够增强梁的疲劳性能和静力性能。他还对整个试验的过程通过运用有限元软件进行了模拟，并对比试验结果，验证了利用有限元分析结构性能具有合理性。

2.2国内研究现状

我国则从1997年才开始对碳纤维复合材料加固混凝土结构进行研究。近几年来对采用粘贴碳纤维布材加固钢筋混凝土梁的抗弯受力性能研究方面较为普遍，相应的研究成果较多。

冯鹏、陆新征等通过实验研究四根不同加固形式的构件，对试验构件的受力全过程进行了分析记录，并对构件纯弯段裂缝状况、荷载挠度曲线、跨中混凝土截面应变分布、弯矩-碳纤维应变关系和同样挠度时的极限弯矩值进行了详细记录研究，并利用试验结果进行了汇总出了开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和混凝土、钢筋和碳纤维应变等具体数据，运用公式所得的结果与试验值基本符合。

赵志平等通过试验得出了不同形式加固梁的屈服荷载和极限荷载，再利用ANSYS 有限元分析软件对试验中的梁进行了有限元非线性分析的模拟，得出有限元分析的结果能够与试验所得的值较好的符合，利用ANSYS 建模分析时，只要合理选用模型单元和合理设置计算参数，模型还是较高的实用性和可靠性的。

国内外学者研究表明，碳纤维材料能够有效的加固混凝土，提高混凝土的强度和承载力。

3 复合材料井盖的研究现状

3.1国内研究现状

国内常用的复合材料井盖有以下，这些复合材料井盖各有特点，共同的优势是金属材料含量极小或没有，没有值得回收利用的价值，可以起到适当的防盗作用，能够弥补铸铁井盖最大的缺憾。

（1）钢纤维混凝土井盖

钢纤维混凝土井盖是早期的复合材料井盖，相对混凝土井盖而言，较强的抗裂性能和抗冲击性能是此类井盖的最大特点。可以承受荷载的反复碾压，表现出较好的耐久性能，且加工成本便宜，回收价值不大。但是，该类混凝井盖重量较大，施工检修较费力，井盖边缘容易破损，一般需要通过外加金属边框来改善这种崩边现象。在城市道路、居民小区和工厂的雨水口等处一定程度上取代了铸铁井盖。

3.2国外研究现状

国外设计井盖一般会根据井盖不同部位采用增强材料各异。为保证其承载能力，通常在井盖下部受力较大处使用连续纤维增强。为提高井盖抗变形性能，在井盖中部会大量使用填料；而为保证井盖较好的耐磨性能，硬度较高、耐磨耐候性好的材料会用于井盖上部，同时设计出相应的图案、数字、文字和颜色。通过这一套工艺程序就能够满足耐磨耐候性和外观要求。玻璃钢井盖优势较明显，既能保证井盖的轻质高强和抗疲劳性能好等要求，同时还具有耐腐蚀和外表美观等优点，也可以解决铸铁井盖被盗的缺点，成为其替代产品。

综上所述，国内外学者和业内相关人士对于井盖进行了大量的研究，研究方法包括实验、模型仿真、加工工艺等多种途径，表明井盖技术在城市道路建设和规划中得到越来越广泛的关注和重视，新型材料井盖研究技术也将成为一种新型的技术领域。在不同的使用条件下，可以通过不同的复合材料井盖来代替传统的和常用的铸铁井盖。碳纤维在混凝土领域的应用已经比较广泛，但是，关于新型碳纤维在井盖中的研究非常鲜见，在井盖领域中碳纤维的应用还是空白，有极大的应用潜力和发展空间，未来将成为传统铸铁井盖和水泥混凝土井盖的理想换代产品。

参考文献

[1]邓宗才、吴寅.玻璃钢井盖的研制[J]. 玻璃钢复合材料，2010，123（23）：12-13.

[2]S.Wen， D.D.L.Chung. Seebeck effect in Carbon Fiber Reinforced Cement， Cem.Coner.Res， 1999， 26（7）：15-18.

[3]文斌等.基于界面效应的碳纤维水泥基复合材料压敏性实验研究.重庆科技学院学报，2009，11（6）：65-68.

作者简介：

仲玉侠（1978-），女，讲师，硕士，主要从事新型建筑材料研究。

王显利（1972-），男，副教授，博士，硕士生导师，主要从事功能型建材研究。