用于管道修復(fù)的聚氫酯改性砂漿性能研究

司金艷 王宇紅 高健 王光明 王灝

（1.北京市市政工程研究院 100037；2.北京城市排水集團(tuán)有限公司 100010；3.北京市建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第二工程處 100010）

引言

城市排水管網(wǎng)是城市雨水排放、水污染控制和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)體系中的重要環(huán)節(jié)，是保證城市生存、持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，更是城市“吐故納新”的生命保障。排水管網(wǎng)避免了城市里地面污水的橫流，方便了人們的生活，也是城市發(fā)展必不可缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，排水管網(wǎng)的數(shù)量和長(zhǎng)度也隨著時(shí)間的推移迅猛增長(zhǎng)。

過(guò)去數(shù)年，常采用的管道修復(fù)方式為開(kāi)挖管道，該方法會(huì)破壞城市道路的完整性，影響道路的行車舒適性，還會(huì)導(dǎo)致城市交通擁堵、影響居民日常出行。近些年來(lái)，我國(guó)城市化快速發(fā)展，地下管廊基礎(chǔ)設(shè)施快速擴(kuò)張，排水管道的修復(fù)和維修難度越來(lái)越大。

針對(duì)過(guò)去管道修復(fù)方法的弊端，非開(kāi)挖修復(fù)管道技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，即在不開(kāi)挖管道的情形下，通過(guò)打孔注漿或者噴涂的方式完成管道的修復(fù)和更新，省時(shí)省力，快速開(kāi)放交通。本文研究的聚氫酯改性砂漿，是一種新型的早強(qiáng)快硬砂漿，能完成非開(kāi)挖修復(fù)管道，在帶水或者潮濕環(huán)境下能施工，快速達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 聚氫酯改性砂漿

1.1 聚氫酯改性砂漿簡(jiǎn)介

聚氫酯改性砂漿是一種新型的砂漿，專為非開(kāi)挖修復(fù)管道滲漏而研發(fā)。在管道內(nèi)有水情況下使用新型噴涂材料，采取非開(kāi)挖修復(fù)工藝，延長(zhǎng)管道的使用壽命。該材料自重輕，施工工藝便捷，養(yǎng)護(hù)周期短，環(huán)保性能優(yōu)異，延長(zhǎng)管道使用壽命最少10年，配制簡(jiǎn)單，操作便利，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

該產(chǎn)品具有的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）滿足水下施工需求：由于這種材料的惰性，可以在水中固化，具有超強(qiáng)、緊密的粘結(jié)力，可以在水下施工；

（2）防腐性強(qiáng)：由于改性砂漿的致密性，使得材料密實(shí)，并具有良好的防腐性能；

（3）耐久性好：這種改性砂漿采用超細(xì)粉末水泥基，并復(fù)合粉煤灰、礦粉等活性材料，形成的結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)固，骨料采用級(jí)配良好的石英砂，可以獲得超高強(qiáng)度，并與水泥基材料形成完整致密結(jié)構(gòu)，而添加的氫酯高分子聚合物又可以起到加強(qiáng)作用，因此材料具有良好的耐久性能，可抵抗因氣候循環(huán)所引起的干濕、冷熱、凍融等交互作用，及水流、海洋潮汐、廢水、電解等持續(xù)性或間歇性的腐蝕作用；

（4）結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)作用：對(duì)管材進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，提高管材的剛度與承載力，可以一定程度提高管道的承載能力；

（5）功能性修復(fù)效果好：可有效降低管材的表面粗糙度，提高管材過(guò)水能力。

（6）快速施工：能夠做到快速施工，簡(jiǎn)化施工方法。

1.2 聚氫酯改性砂漿的改性機(jī)理

聚氫酯在砂漿中能形成具有早強(qiáng)、防水，包裹骨料的片狀薄膜，堵塞了砂漿中的孔隙。隨著水泥水化吸收水分，聚氫酯形成聚合物粒子，逐漸聚集為連續(xù)的、三維聚合物片狀結(jié)構(gòu)薄膜。這種聚合物薄膜粘附在水泥水化產(chǎn)物和骨料表面，相互穿插纏繞形成連續(xù)稠密矩陣結(jié)構(gòu)，提高了骨料和水泥間的膠結(jié)作用，改善了砂漿的粘結(jié)抗壓強(qiáng)度。根據(jù)有機(jī)物乳液成膜原理，隨著水泥的水化，聚氫酯大多數(shù)集中于水泥漿的孔隙中（氣孔除外）。在水泥水化時(shí)，水泥顆粒吸收乳液中的水分，拉近聚氫酯粒子間的距離，膠凝起來(lái)，在水泥漿體內(nèi)部形成聚合物層。該聚合層能有效抵抗水分的入侵，提高砂漿的抗壓、抗拉強(qiáng)度。

1.3 聚氫酯改性砂漿與普通聚合物砂漿的對(duì)比

普通聚合物砂漿分為聚合物浸漬砂漿、聚合物改性砂漿和聚合物砂漿三類。聚氫酯改性砂漿的性能與聚合物改性砂漿類似，相比普通砂漿而言，具有更高強(qiáng)度的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，尤其粘結(jié)強(qiáng)度提高得更加顯著，并且都因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)致密而具備良好的防腐性能和耐久性能。而聚氫酯改性砂漿因?yàn)闅漉ジ叻肿拥亩栊?，可在水中固化，并且與樹(shù)脂類聚合物不同，無(wú)毒無(wú)味，更加環(huán)保。

2 聚氫酯改性砂漿室內(nèi)性能試驗(yàn)

聚氫酯改性砂漿配比見(jiàn)表1。水泥：52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；礦粉：采用S95級(jí)礦粉；石英砂：采用粒徑100～200目石英砂及40～70目石英砂，含泥量小于1%，符合JGJ 52中的規(guī)定；水：自來(lái)水；減水劑：25%固含量的西卡聚羧酸高效減水劑。水泥、砂質(zhì)量比為1：1.3，聚氫酯摻量為水泥用量的2%，水灰比為0.2。

表1 聚氫酯改性砂漿配比Tab.1 Mixing component of hydrogen-ester-modified mortar

聚氫酯改性砂漿制作的方法如下：將水泥、砂硅灰及礦粉干拌2min，轉(zhuǎn)速控制在500～600轉(zhuǎn)／min，然后加入水、減水劑、氫酯高分子聚合物及消泡劑，繼續(xù)攪拌6～8min，即可制得試樣。按照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》（DL／T 5126－2001）的要求，制成 40mm×40mm×160mm的試樣，標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本文主要進(jìn)行了凝結(jié)時(shí)間、塌落度、抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性性能試驗(yàn)。圖1為粘結(jié)抗拉試驗(yàn)夾具模具。

2.1 抗壓強(qiáng)度

新型聚氫酯材料是本文修復(fù)砂漿中的重要組成成分，重點(diǎn)研究其添加量對(duì)聚合物砂漿力學(xué)性能的影響，抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2及圖2。

由圖2可見(jiàn)，加入聚氫酯后，聚合物改性砂漿的抗壓強(qiáng)度顯著上升，上升幅度達(dá)1.5～1.8倍，達(dá)到了高強(qiáng)砂漿的要求。隨著聚氫酯量的增加，抗壓強(qiáng)度先上升，隨后逐漸降低，直至穩(wěn)定，隨著齡期的增長(zhǎng)，新型砂漿的強(qiáng)度逐漸增大。這是因?yàn)榫蹥漉バ纬傻钠瑺畋∧し植加谏皾{骨料中，能緩解和傳導(dǎo)壓應(yīng)力，減少裂縫的發(fā)展。

圖1 試驗(yàn)夾具模具（單位：mm）Fig.1 Test fixturemold（unit：mm）

表2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Compressive strength rest results

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.2 Compressive strength test results

2.2 粘結(jié)抗拉強(qiáng)度

因?yàn)楣艿佬迯?fù)中，砂漿要與原混凝土管道緊密結(jié)合，所以改性砂漿的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度是一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。室內(nèi)試驗(yàn)選取了普通聚合物改性砂漿和聚氫酯改性砂漿作為對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 砂漿粘結(jié)抗拉強(qiáng)度結(jié)果（單位：MPa）Tab.3 Mortar bond tensile strength results（unit：MPa）

從表3可以看出，聚氫酯改性砂漿的抗拉強(qiáng)度相比普通聚合物改性砂漿，有顯著提升，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，粘結(jié)抗拉強(qiáng)度逐漸增大。分析原因是由于聚氫酯與水泥及石子形成了連續(xù)結(jié)構(gòu)，有效成為了一個(gè)整體，聚氫酯嵌入到了砂漿骨料中。

2.3 耐腐蝕性

該砂漿的耐腐蝕性及耐久性是驗(yàn)證材料性能的重要一部分。本試驗(yàn)選取20余處污水管的水樣，測(cè)試水中的pH值，然后實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選取pH值最高的水樣及pH值最低的水樣，將制作的70mm×70mm×70mm的聚氫酯試塊和不添加聚氫酯的試塊放到污水中浸泡，同時(shí)將試塊在普通水中浸泡，2個(gè)月后觀測(cè)表面情況有無(wú)松散剝落坑槽等現(xiàn)象，觀測(cè)其耐腐蝕性，并測(cè)試抗壓強(qiáng)度有無(wú)損失，測(cè)試結(jié)果如表4。養(yǎng)護(hù)完后的聚氫酯試塊抗壓強(qiáng)度為67.5MPa，普通砂漿試塊抗壓強(qiáng)度為52.5MPa。

表4 新型改性砂漿防腐性能試驗(yàn)Tab.4 Corrosion resistance test of new modified mortar

從表4可以看出，添加聚氫酯后的新型砂漿的耐腐蝕性優(yōu)于普通聚合物改性砂漿。這是因?yàn)閾郊泳蹥漉ズ螅滦透男陨皾{的吸水率變小，低于普通聚合物砂漿，砂漿中的毛細(xì)孔被聚氫酯封閉，阻止了水分的浸入，提升了管道的耐腐蝕性。

3 聚氫酯改性砂漿試驗(yàn)應(yīng)用

選取北京市某城區(qū)地下管道的位置進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。首先通過(guò)雷達(dá)等檢測(cè)手段（圖3），沿著管徑方向檢測(cè)，確定地下管道的破壞位置，施工人員通過(guò)檢查井到達(dá)破壞位置，確定噴涂砂漿方案，作業(yè)人員初步清理噴涂位置，通過(guò)噴涂設(shè)備將高性能聚氫酯砂漿噴涂管道（圖4），2h后，用雷達(dá)檢測(cè)修復(fù)效果，進(jìn)行修復(fù)效果評(píng)估分析。施工過(guò)程中，管道內(nèi)尚存約五分之一的污水，未影響噴涂施工和材料的固化，修復(fù)效果滿足要求。

修復(fù)后的管道在經(jīng)過(guò)一天的正常養(yǎng)護(hù)后通水，3d、7d、28d分別探測(cè)修復(fù)管道的情況，均無(wú)裂縫產(chǎn)生，優(yōu)于普通砂漿及普通聚合物砂漿的修復(fù)效果。

修復(fù)的管道因?yàn)樵黾恿藝娡可皾{層，從而降低了過(guò)水?dāng)嗝妫艿罎M負(fù)荷輸水能力降低，但是噴涂后的砂漿結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，降低了水流的摩阻力，而且排水管道在一般運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下不會(huì)滿負(fù)荷排水，因此對(duì)管道的正常排水能力沒(méi)有負(fù)面影響，反而因?yàn)閲娡恐蟮纳皾{層彌補(bǔ)了修復(fù)前管道表面的腐蝕和坑蝕現(xiàn)象，使排水管道對(duì)水流的摩阻力降低，更利于排水。

圖3 雷達(dá)檢測(cè)示意Fig.3 Radar detection diagram

圖4 砂漿噴涂示意Fig.4 Mortar spraying schematic

4 結(jié)論

1.聚氫酯改性砂漿抗壓性能、抗拉性能要求均符合《聚合物水泥砂漿防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》（CECS 18－2002）要求，大多指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)高于規(guī)范的要求，耐腐蝕性能優(yōu)異；

2.聚氫酯改性砂漿能在不開(kāi)挖情況下，快速修復(fù)管道，修復(fù)效果良好；

3.聚氫酯改性砂漿技術(shù)先進(jìn)，施工便捷，有很大的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。

［1］周利.排水管道非開(kāi)挖修復(fù)預(yù)處理技術(shù)的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014 Zhou Li.Study on Non-Excavation Repair Pretreatment Technology for Drainage Pipeline［D］.Guangzhou：Guangdong University of Technology，2014

［2］王蘭飛.非開(kāi)挖技術(shù)在排水管線更新及修復(fù)中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2013（3）：23－24 Wang Lanfei.Application of Trenchless Technology in Drainage Line Renewal and Repair［J］.Urban Construction Theory Research，2013（3）

［3］熊萍，郝培文，高傳明.SBS聚合物改性瀝青技術(shù)性能［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（1）：10－14＋19 Xiong Ping，Hao Peiwen，Gao Chuanming.SBS polymer modified asphalt technical performance［J］.Journal of Chang an University，2005（1）：10－14＋19