非開挖管道修復材料發(fā)展現(xiàn)狀和前景

人類的生存環(huán)境也如人體一樣，在不斷地新陳代謝，天然形成的山川、湖泊、沙漠和海洋等，正在承擔著代謝的功能。而在人類聚集的城鎮(zhèn)，為了保障環(huán)境和生活的健康有序，各種管道系統(tǒng)維持了水、電、氣、油、污、信號等物質和能源的運輸。隨著城市建設的快速發(fā)展，世界范圍的地下管道數量日益增多。在這些建設于不同時間、日夜運行的管道中，經常發(fā)生損壞、積垢、腐蝕等問題導致管道輸送能力下降，甚至造成泄露、爆炸、堵塞、地面塌陷、“城市看?！钡仁录l(fā)生，它代表和考驗著“城市的良心”。

我國以前在進行管道更換、修復時一直采用開挖的方式越來越不能適應現(xiàn)代城市發(fā)展要求。20世紀70年代在英國、美國及日本等國家應用的非開挖管道修復工程技術，尤其是翻轉內襯法，也稱原位固化法（Cured in Place Pipe，CIPP）已在我國推廣使用了多年；但是修復用內襯材料、樹脂、灌漿材料長期依賴于進口。如果關鍵材料的價格昂貴，材料性能不能協(xié)同設備、工藝自主開發(fā)，我國CIPP技術的推廣和發(fā)展必然會受到制約。

此外，我國快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化，帶來了大量新鋪管道的商機，2013年我國城市化率為53%，到2020年預計達到60%，距發(fā)達國家的80%城市化率還有不小的差距和發(fā)展空間。同時，我國城鎮(zhèn)既有管線的維護、修復量巨大，如：北京2014年各類管道長約16.7萬km，而每年修復更換管道達到800km，修復中需要使用的樹脂材料價值達到6億元以上。

近年來，國家推出城市綜合管廊、智慧城市、海綿城市、“水十條”、“一帶一路”等重大基礎建設，都拉動了管線的市場。

本文討論CIPP技術所涉及的主要材料種類、性能和以及可能引入該行業(yè)的新材料。我國市場迫切希望關鍵材料國產化，國內成熟材料能支撐CIPP技術在國內的大量推廣應用，最終實現(xiàn)工藝、設備、材料的相互配合，開發(fā)出適合我國高性價比的非開挖技術。

一、非開挖管道修復技術

非開挖技術顧名思義，就是不用開挖地面，而進行管道修復的施工方式。通常是通過定向鉆進或通過管井導入方式，敷設、更換或修復各種地下管線。這種施工技術對地表干擾小，具有較高的實用價值和社會效益。該技術主要包括：頂管、水平定向鉆進、微型隧道、爆管等方法。目前已經廣泛應用于給水、排水、電力、燃氣、通信等新管道建設和舊管道修復中。其主要優(yōu)點包括：①引入了管線軌跡的測量和控制，有助于智慧城市建設與管理；②施工快速，提高了鋪管高效和能力；③解決了復雜地層條件下施工問題；④降低成本，保護環(huán)境。

CIPP技術實施流程一般包括：①收集管道信息；②管道清洗；③管道內部探測、檢測；④確認損壞參數和修復方案設計；⑤需要時，滲漏點進行灌漿處理；⑥非開挖管道修復施工；⑦檢測與驗收。

二、非開挖管道修復中的材料現(xiàn)狀

目前，非開挖管道修復技術用的管狀復合材料增強體一般是一面覆蓋有防水層的毛氈（或無紡氈）。使用時，先由預處理后的樹脂浸透管狀毛氈，再翻轉入管道，與管道內壁復合而成管狀復合材料。該復合材料包括毛氈、樹脂、防滲膜3種成分。其中，樹脂將毛氈和管內壁粘接在一起，達到加固、修復、防滲漏作用，防滲膜提供了比原有管道更好的光滑表面，提高了流體的流動性。

在CIPP技術中，樹脂固化后提供了內襯管道的剛度。目前，國外常用的樹脂包括：不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂3大類。國內自主生產的毛氈大多通過縫合，而不是粘合；樹脂主要是不飽和聚酯樹脂。

1.樹脂材料

通常材料分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料3大類，而復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料組成具有新性能的材料。該領域使用的復合材料中樹脂部分可流動的分子（一般為線型分子）在引發(fā)劑、熱、光、輻射等引發(fā)下相互交聯(lián)成網絡結構的穩(wěn)定分子（體型分子）反應（如圖1）。通過固化反應，使線型或支鏈型的分子交聯(lián)成三維網狀結構大分子，提供了強度、耐熱性、耐磨性、耐溶劑性等性能。

2.不飽和聚酯

在CIPP中廣泛使用的液態(tài)不飽和聚酯樹脂（UPR）是在光、熱和引發(fā)劑的作用下，通過線型聚酯鏈中的雙鍵與單體（通常為苯乙烯）的雙鍵發(fā)生交聯(lián)反應，形成三維立體交聯(lián)的不溶、不熔的體型結構分子。這是一種自由基引發(fā)的聚合反應，如何能使反應啟動是關鍵。單體一旦被引發(fā)，產生自由基，分子鏈即迅速增長而形成大分子。在A、B兩種分子的固化過程中，可能發(fā)生A-A、A-B、B-B三種情況的交聯(lián)反應。在該反應中，聚酯分子與聚酯分子之間的交聯(lián)反應更有利于材料性能的提高。

在實際操作中，通過調整體系中的固化劑、促進劑等影響反應速度的關鍵試劑可以實現(xiàn)常溫固化、加熱固化（可調節(jié)不同溫度）、紫外光固化和輻射固化。調節(jié)主體分子結構和添加助劑可以改善固化后產品的物理和化學性能，以達到管道修復工藝要求、管道的使用和長期可靠性要求。

3.環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是指分子中含有2個或2個以上環(huán)氧基團的有機物。固化后的樹脂對金屬、非金屬材料都具有優(yōu)異的粘接性，同時硬度高、介電性能好、收縮率低、柔韌性好、耐堿和大部分溶劑。因此，廣泛應用于國防、生產和生活各方面，用作浸漬料、澆注料、層壓料、粘接劑、涂料等。根據前瞻產業(yè)研究院的預測，我國2015年環(huán)氧樹脂的消費總量將達到150萬t，占到全球環(huán)氧樹脂消費市場60%左右。

環(huán)氧樹脂一般按照強度、耐熱等級分為通用膠、結構膠、耐溫膠、耐低溫膠、水中及潮濕面用膠、導電膠、光學膠、點焊膠、環(huán)氧樹脂膠膜、發(fā)泡膠、應變膠、軟質材料粘接膠、密封膠、特種膠、潛伏性固化膠、土木建筑膠16種。在電子、電氣產業(yè)中環(huán)氧樹脂是首選高可靠產品，集成電路芯片經固化的環(huán)氧樹脂和高純度石英砂復合材料封裝后要經過嚴格的高溫、高濕、熱應力沖擊（-50～150℃循環(huán)沖擊）、耐水性考核。目前，在該領域CIPP應用中，環(huán)氧樹脂可以和玻璃纖維良好結合，提供更高強度，因而可以減薄內襯層的厚度。

環(huán)氧樹脂的固化反應如圖2所示，在環(huán)氧體系中常見的固化促進劑有：含氮類、含磷類，金屬鹽類、含羥基類、絡合物類等?？梢愿鶕枰獜团浠蚝铣蓾摲怨袒龠M劑，達到設計可控的固化工藝要求，如在特定的溫度下固化、快速固化。也可以設計分子結構使其通過紫外光固化。

另外，在CIPP材料中，添加的助劑對材料固化后性能影響較大。例如，樹脂與玻璃纖維結合需要添加適當的偶聯(lián)劑；為了將偶聯(lián)劑盡量以單分子層均勻分散在無機材料的表面，需要添加少量的界面處理劑。如果從微觀上解決了分子水平的結合問題，宏觀上的材料將具有良好的性能表現(xiàn)。

4.聚氨酯

聚氨酯材料固化后的硬度介于橡膠與塑料之間，其產品特性有：①耐磨，劃不傷，使用壽命長，成本低；②耐溫性在-20～120℃；③聚氨酯產品無污染，無毒無味。其聚合反應圖3所示。

對于管徑小的燃氣管道、電纜管道，鋼管、鑄鐵管、聚氯乙烯塑料，一般選用聚氨酯樹脂進行修復。德國、比利時等國家的CIPP技術中就選用毛氈和聚氨酯樹脂。

對于管道修復公司來說，希望有充裕的時間和操作彈性。市場上已開發(fā)出新型聚氨酯樹脂使得操作開始時間可以自由調整，而修復可快速完成，只要在施工前24h之內壓入CIPP內襯管道即可。也可以和聚酯一樣實現(xiàn)CIPP內襯軟管在室內環(huán)境中從容地制備。

三、非開挖管道修復中的材料前景

1.注漿材料

注漿法（Grouting），也稱灌漿法，是從舊管道內部局部缺陷處向巖土地基的裂縫或孔隙中注入能固化的漿料，依靠漿料的固化達到防滲、堵漏和加固作用。可以修復管道，恢復功能，快速處理應急事故；往往在非開挖管道修復工程之前，也需要對管道漏水處進行注漿處理。

注漿材料有粒狀材料和化學材料，粒狀材料主要是水泥漿，化學漿材包括硅酸鹽（水玻璃）和高分子材料。我國工程上常用的注漿材料是水泥漿和水玻璃漿。而在CIPP技術中，丙烯酰胺類漿液在國外已廣泛使用；其低粘度、高滲透性、快速固化性能獲得了許多管道修復公司的青睞。

2.噴涂法材料

在噴涂法使用的材料中，水泥基材料已非常成熟；此外，還有聚合物基的噴涂材料。國外使用環(huán)氧和聚氨酯材料噴涂襯底方法用于管道防腐、半結構性修復、防漏比較高效。如圖4所示方法旋轉噴涂，可以通過調節(jié)樹脂流量和噴頭前進速度來控制涂層厚度。與水泥砂漿襯底不同，它們無需抹平操作，可以重復噴涂，固化速度也比較快，環(huán)氧和聚氨酯可以分別在16h和2h左右固化。

3.光固化樹脂

光固化樹脂的CIPP技術是真正100%非開挖內襯修復。省略了樹脂混合、加熱等許多設備和工序，也不用開挖工作坑；采用拉入式就位，不用翻轉，固化全程監(jiān)控；沒有固化時間的嚴格限制，可以從容施工。

如果將傳統(tǒng)熱固化聚酯樹脂和光固化聚酯樹脂進行比較發(fā)現(xiàn)，光固化可實現(xiàn)厚度是傳統(tǒng)熱固化的50%，而強度是傳統(tǒng)熱固化的近5倍，加工效率也明顯高于熱固化，光固化施工可以按照3m/min的速度完成。

在現(xiàn)有用于CIPP的樹脂中，聚酯、環(huán)氧、聚氨酯都可以實現(xiàn)紫外光（UV）固化，只是成本和性能有差別。電子行業(yè)有專用的UV膠，大量的手機SIM卡芯片封裝就是UV固化膠；汽車面漆有些也是UV固化涂料。只要在市場的驅動下，國產化的UV固化材料應該大有可為。

四、結語

隨著CIPP技術的使用和發(fā)展，除了如上提及的材料外，還有不少性能優(yōu)越的材料也有可能被引入到該領域中。例如，有機硅材料在耐低溫和高溫方面具有突出的性能，值得推廣；含氟硅材料更具有耐酸堿、耐油特性，可以在特殊地區(qū)和行業(yè)的管道里使用。目前，國內非開挖管道修復工程技術用的材料大部分依賴進口。我國各行業(yè)的情況都相類似，主要原因是原料和設備的配套跟不上，市場對國產新產品的培育和接受程度不夠，技術上的研究與生產實際的結合不夠。