原位固化無紡布軟管的力學(xué)性能研究*

曹井國 張文寧 賈挺挺 高留意 張大群

（1.天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院 300457；2.天津水工業(yè)工程設(shè)備有限公司 300070）

引言

截至2015年底，我國城市排水管渠長度總量達(dá)到54萬 km［1］，且以每年6%的速率增長，由于管道的使用壽命通常為30～50年，我國鋪設(shè)年代久遠(yuǎn)的管道相繼達(dá)到服務(wù)年限。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國20世紀(jì)80年代以前鋪設(shè)的城市排水管長度為2.2萬km，并相繼出現(xiàn)病害狀況，如結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷，這些病害情況致使排水管道不能發(fā)揮應(yīng)有的作用，污水跑、冒、漏，阻斷交通，雨水不能及時(shí)排走，嚴(yán)重時(shí)造成地面塌陷，給城市建設(shè)和人民生活帶來不便，甚至危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》指出：我國自2014年開始，用5年時(shí)間完成城市地下老舊管網(wǎng)改造，用10年時(shí)間建成較為完善的城市地下管線體系。

對(duì)于病害管道的修復(fù)，傳統(tǒng)上采用開挖后重新埋管的方法，這極大地破壞了城市的交通環(huán)境并嚴(yán)重影響人們的生活與工作。非開挖法只需要在管井處施工，具有施工周期短、不影響交通的優(yōu)點(diǎn)。其中，原位固化法適用范圍廣，施工便利，性能優(yōu)異，受到行業(yè)的青睞，該方法是利用水壓或氣壓將浸有樹脂的復(fù)合軟管材料內(nèi)襯到待修復(fù)的管道內(nèi)壁上，通過加熱或輻射的方法使樹脂固化，在原有病害管道內(nèi)部形成新的管道，恢復(fù)管道原有功能。

近年來，隨著技術(shù)成熟性和可靠性增加，我國管道非開挖技術(shù)發(fā)展迅速，但行業(yè)面臨著一個(gè)嚴(yán)峻問題，即非開挖管道修復(fù)材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，造成技術(shù)成本高，施工周期難以保證。另一方面，國產(chǎn)材料良莠不齊，質(zhì)量難以保證，因此，我國迫切需要國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化的管道原位修復(fù)材料。本課題組在“國家十二五”水專項(xiàng)資助下，開展了排水管道原位修復(fù)材料－無紡布軟管的產(chǎn)業(yè)化研究，本文介紹了無紡布基材、復(fù)合無紡布、軟管接縫的力學(xué)性能，為管道非開挖修復(fù)軟管的生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 軟管制備方法及力學(xué)性能測試方法

無紡布（滌綸材質(zhì)，400g／m2～1000g／m2）、網(wǎng)格布（滌綸材質(zhì)，80g／m2）由天津興榮非織造布有限公司提供，經(jīng)針刺復(fù)合，再經(jīng)專業(yè)廠家流延復(fù)合TPU薄膜（厚度為0.4mm）后，采用專用合口機(jī)密封制成軟管。按照《紡織品 織物拉伸性能 第1部分 斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定（條樣法）》（GB／T 3923.1）制樣，樣條寬度為5cm，厚度采用TH－060型土工布測厚儀測定，采用CCMT4503電子拉力儀測試材料的力學(xué)性能。抗拉強(qiáng)度（在拉伸試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)承受的最大拉伸應(yīng)力）計(jì)算公式如下［2］：

式中：σ為拉伸應(yīng)力（MPa）；F為最大負(fù)荷（N）；A為原始橫截面積（mm2）。

1.2 固化實(shí)驗(yàn)及力學(xué)性能測試方法

采用乙烯基樹脂，浸漬軟管，經(jīng)80℃恒溫固化2h，按照《樹脂澆注體性能試驗(yàn)方法》（GB／T 2567）制樣，厚度采用游標(biāo)卡尺測量，采用CCMT4503電子拉力儀測試材料的力學(xué)性能?？估瓘?qiáng)度按式（1）計(jì)算，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量分別按公式（2）和式（3）［3］計(jì)算：

式中：σf為彎曲應(yīng)力（MPa）；F為施加的力（N）；L為跨度（mm）；b為試樣寬度（mm）；h為試樣厚度（mm）。

式中：Ef為彎曲模量（MPa）；εf為彎曲應(yīng)變（%）。

2 材料力學(xué)性能（試驗(yàn)及比較）

2.1 普通無紡布抗拉強(qiáng)度

基層的主要功能是浸漬和承載樹脂，ASTM F1743標(biāo)準(zhǔn) 5.2規(guī)定［4，5］：軟管基層應(yīng)包括一層或多層柔性針刺氈或等效的非織造或織造布材料，或兩者相結(jié)合的材料，此材料能夠浸漬樹脂，且能承受施工的拉力、壓力和固化溫度。ASTM D5813－04標(biāo)準(zhǔn)5.2規(guī)定［6］：軟管基層由一層或多層針織物組成。CJJ／T 210－2014標(biāo)準(zhǔn)4.0.2規(guī)定［7］：軟管基層可由單層或多層聚酯纖維氈或同等性能的材料組成。

無紡布作為軟管基層材料，與玻璃纖維布相比，具有樹脂浸漬效果較好、厚度較大等優(yōu)勢。ASTM D5813－04、ASTM F1216、ASTM F1743、CJJ／T 210－2014和《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ／T 244－2016）［8］均規(guī)定軟管的橫向與縱向抗拉強(qiáng)度不得低于5MPa，因防滲膜彈性較大，在同等拉力情況下，基層的拉伸率比防滲膜低，因此，在施工過程中，無紡布承受主要的拉力。目前，市場上的無紡布以短纖針刺無紡布為主，試驗(yàn)檢測了3種規(guī)格短纖針刺無紡布的斷裂強(qiáng)力，并計(jì)算了抗拉強(qiáng)度，見表1。

表1 無紡布力學(xué)性能Tab.1 Themechanical properties of non-woven

無紡布的規(guī)格通常以單位面積重量為依據(jù)，但實(shí)測數(shù)據(jù)往往與廠家規(guī)格存在一定的差異，單位面積重量越大，則厚度越大，厚度和密度均是軟管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也決定了無紡布的力學(xué)性能。由表1可知，無紡布規(guī)格高于800g／m2時(shí)，干態(tài)和濕態(tài)無紡布的抗拉強(qiáng)度相差不大，在進(jìn)行軟管抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，可采用干態(tài)軟管進(jìn)行測試。

2.2 復(fù)合無紡布抗拉強(qiáng)度

張永芳等［9］基于修復(fù)大管徑管道對(duì)管狀非織造布復(fù)合材料強(qiáng)度與厚度的要求，對(duì)管狀非織造布復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過在非織造布中加筋可增強(qiáng)其強(qiáng)度。參照張永芳等［9］所用方法，采用800g／m2無紡布，加襯一層網(wǎng)格布，流延TPU后制成軟管基材，其總體力學(xué)性能如圖1所示。

圖1 復(fù)合無紡布抗拉強(qiáng)度Fig.1 The tensile strength of non-woven

由圖1可知，復(fù)合無紡布的橫向和縱向斷裂強(qiáng)力分別為1779N和2004N，斷裂伸長率分別為6.41%和8.94%，其抗拉強(qiáng)度分別為7.97MPa和8.97MPa，橫縱向力學(xué)性能與800g／m2普通無紡布相比提高了78.3%和41%。

2.3 復(fù)合無紡布的抗拉強(qiáng)度驗(yàn)證

軟管施工過程中，因?yàn)樗畨夯驓鈮旱淖饔?，?huì)產(chǎn)生徑向膨脹和軸向位移，徑向膨脹有助于貼緊原有管道，但在軸向上，過多的位移會(huì)造成軟管和樹脂的浪費(fèi)，且影響施工質(zhì)量。ASTM F1743標(biāo)準(zhǔn)6.4.3規(guī)定了浸漬樹脂軟管施工軸向拉伸率不得高于5%［5］。實(shí)驗(yàn)測試了800g／m2復(fù)合無紡布1%～5%拉伸率下所需拉力，見表2和表3。

由表2和表3可知，復(fù)合無紡布橫向形變?yōu)?%～5%時(shí)，所承受的拉力平均值為238N～1604N，縱向形變?yōu)?%～5%時(shí)，所承受的拉力平均值為303N～1458N，橫向受力與縱向受力存在一定的差異，若要保證軟管軸向形變不高于5%，以縱向受力為準(zhǔn)（拉力為1458N），按樣條寬度5cm計(jì)算，軟管軸向拉力不能高于29kN／m，能夠耐受較高的拉力。

表2 橫向拉伸形變及其受力（單位：N）Tab.2 Transverse tensile deformation and its force（unit：N）

表3 縱向拉伸形變及其受力（單位：N）Tab.3 Longitudinal stretch deformation and its force（unit：N）

3 軟管接縫抗拉強(qiáng)度

接縫是軟管產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了施工過程的成敗。目前高于DN300軟管通常做成多層結(jié)構(gòu)，其外側(cè)為復(fù)合無紡布，在翻轉(zhuǎn)施工過程中起到防滲作用。CJJ／T 210－2014標(biāo)準(zhǔn)4.0.2規(guī)定［7］：多層軟管各層的接縫應(yīng)錯(cuò)開，接縫連接應(yīng)牢固。理論上接縫處的抗拉強(qiáng)度應(yīng)和主材一致，即不低于5MPa。目前外層復(fù)合無紡布接縫處理方式主要有2種：一種是縫合＋熱復(fù)合；一種是雙側(cè)熱復(fù)合，本研究采用雙側(cè)熱復(fù)合方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙側(cè)熱復(fù)合接縫結(jié)構(gòu)Fig.2 Joint structure of bilateral thermal composite

由圖2可知，雙側(cè)熱復(fù)合方式時(shí)將無紡布接縫處兩側(cè)分別復(fù)合密封條進(jìn)行密封，接縫依靠兩側(cè)的密封條受力，試驗(yàn)中，內(nèi)外密封條總厚度約為1.94mm，其中內(nèi)測密封條采用復(fù)合無紡布，外側(cè)密封條采用PU膜，其橫向抗拉強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 接縫橫向抗拉強(qiáng)度Fig.3 Lateral transverse tensile strength

由圖3可知，接縫的橫向斷裂強(qiáng)力為992N，斷裂伸長率為17.4%，因?yàn)榻涌p處雖然局部增厚，但承受拉力的是內(nèi)外密封條，因此，抗拉強(qiáng)度應(yīng)以密封條截面積為準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算，其抗拉強(qiáng)度為10.2MPa，與主材的抗拉強(qiáng)度7.97MPa及斷裂伸長率6.41%存在一定差異，但能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 熱固化軟管力學(xué)性能

為檢驗(yàn)軟管的固化力學(xué)性能，通過熱固化樹脂進(jìn)行固化，試驗(yàn)檢測其短期力學(xué)性能如表4所示。

表4 固化管短期力學(xué)性能Tab.4 Short-term mechanical properties of curing tubes

由表4可知，固化管的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度分別為 2200MPa和 40MPa，抗拉強(qiáng)度高于145MPa，均高于標(biāo)準(zhǔn)值，由此可知，經(jīng)樹脂固化后，固化管機(jī)械性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

1.對(duì)于800g／m2規(guī)格的無紡布，經(jīng)加筋覆膜處理后，橫縱向力學(xué)性能可提高78.3%和41%。

2.軟管接縫采用內(nèi)外熱復(fù)合密封，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到10.2MPa。

3.經(jīng)樹脂固化，固化管的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度分別為 2200MPa和 40MPa，拉伸強(qiáng)度高于145MPa。

無紡布經(jīng)加筋處理之后，橫縱向的力學(xué)性能有較大程度的提高，拉伸率較小，可減小軟管的軸向拉伸。經(jīng)熱復(fù)合后，接縫處抗拉強(qiáng)度高于5MPa，可滿足施工要求，固化管初始結(jié)構(gòu)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可確保使用安全。

［1］國家統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2016

［2］GB／T 1040.1－2006塑料拉伸性能的測定 第1部分：總則［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006 GB／T 1040.1－2006 Plsatics-Determination of tensile properties-Part1：General principles.Beijin：China Standards Press，2006

［3］GB／T 9341－2008塑料彎曲性能的測定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008 GB／T 9341－2008 Plsatics-Determination of flexural properties［S］.Beijing：China Standards Press，2008

［4］ASTM F1216 Standard Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Inversion and Curing of a Resin-Impregnated Tube［S］.ASTM International，2016

［5］ASTM F1743 Practice for Rehabilitation of Existing Pipelines and Conduits by the Pulled in Place Installation of Cured-in-Place Thermosetting Resin Pipe（CIPP）［S］.ASTM International，2017

［6］ASTM D5813－04 Standard Specification for Cured-In-Place Thermosetting Resin Sewer Piping Systems［S］.ASTM International，2012

［7］CJJ／T 210－2014城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014 CJJ／T 210－2014 Technical Specification for trenchless rehabilitation and renewal of urban sewer pipeline［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2014

［8］CJJ／T 244－2016城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016 CJJ／T 244－2016 Technical specification for trenchless rehabilitation and renewal of urban water supply pipelines［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2016

［9］張永芳.管道修復(fù)用管狀非織造布復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成管方法研究［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010 Zhang Yongfang.Study on structure design and pipe forming method of tubular nonwovens composite material for pipeline repair［D］.Tianjin：Tianjin Polytechnic University，2010