管道修復(fù)用滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

伏立松， 張淑潔， 王 瑞,2， 楊兆薇， 荊夢軻

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

許多在役的大管徑、非壓力排污或排水管道因老化等因素會出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫、腐蝕穿孔、滲漏等受損現(xiàn)象，直接或間接地造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為降低經(jīng)濟(jì)損失和保護(hù)水資源，迫切需要對受損的排水或排污管道進(jìn)行修復(fù)。采用管狀滌綸非織造復(fù)合材料作為內(nèi)襯管的翻襯修復(fù)法具有不開挖、不影響交通、不破壞環(huán)境等優(yōu)勢[2]。目前，國內(nèi)管狀滌綸非織造復(fù)合材料翻襯修復(fù)受損排污或排水管道才剛剛起步，還沒有相關(guān)的施工規(guī)范和工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。國外此方面的研究主要側(cè)重于修復(fù)工藝、修復(fù)設(shè)備[3]，也制定出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)可供參考，如ASTM F1743-17《采用現(xiàn)場固化熱固性樹脂管 (CIPP) 的現(xiàn)場拉制裝置修復(fù)現(xiàn)有管線和管道的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》、ASTM F1216-16《通過樹脂浸漬管的倒置和硫化修復(fù)現(xiàn)有管線和管道的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》等，但較少從理論上對管狀滌綸非織造復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。

近幾十年，石油資源的日益枯竭使得合成纖維的價格不斷上漲，人們迫切地需要用天然纖維來部分取代或完全取代合成纖維[4]。其中，苧麻纖維具有高比強(qiáng)度和高比模量等性能，能夠攜帶更多的樹脂與舊管內(nèi)壁黏接，與樹脂結(jié)合的界面性能相比純滌綸非織造材料有所改善[5]，因此有相關(guān)學(xué)者制備了滌綸/苧麻復(fù)合材料用于非開挖修復(fù)受損的管道。閆丹等[6]采用三因素回歸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法制備滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料，對比了實(shí)際制備與混雜理論下的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)實(shí)際拉伸強(qiáng)度與理論拉伸強(qiáng)度存在較大的誤差。羅凱等[7-8]對修復(fù)管徑較小的燃?xì)?、給水等壓力管道的滌綸/苧麻機(jī)織物復(fù)合材料進(jìn)行微觀形貌、接觸角、纖維抽拔、黏結(jié)強(qiáng)度等研究，發(fā)現(xiàn)滌綸/苧麻機(jī)織物復(fù)合材料在翻襯施工中可以攜帶更多樹脂與管壁黏合，解決管道內(nèi)壁塌陷的問題。以上研究偏重于混雜纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，很少討論纖維混雜設(shè)計(jì)對滌綸/苧麻復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。

針對這些問題，本文利用復(fù)合材料混合定律和胡克定律建立了滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論臨界體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式，制備了不同體積分?jǐn)?shù)的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料，對其拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試，得到臨界體積分?jǐn)?shù)與拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值，找出與理論臨界體積分?jǐn)?shù)及理論拉伸強(qiáng)度的相關(guān)性，從而證明滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論臨界體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式的可靠性，為翻襯修復(fù)排污或排水管道的管狀混雜纖維非織造復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論方法。

1 混雜理論

1.1 理論臨界體積分?jǐn)?shù)

將滌綸與苧麻混雜制成的非織造復(fù)合材料簡化成為單層復(fù)合材料板問題，如圖1所示。

圖1 單層復(fù)合材料板模型Fig.1 single-layer composite board model

根據(jù)復(fù)合材料的混合定律[9]可知，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度：

σcu=σfVf+σmVm

(1)

(2)

式中：Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)，%；Vm為基體體積分?jǐn)?shù)(基體的體積分?jǐn)?shù)為Vm=1-Vf)，%；σcu為復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度，MPa；σf為纖維拉伸強(qiáng)度，MPa；σm為基體拉伸強(qiáng)度，MPa，λ為基體體積含量，%。

滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要滿足管道工作內(nèi)壓引起的縱、橫向應(yīng)力[10]。

(3)

(4)

式中：σj、σw為滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的縱、橫向應(yīng)力，MPa；P為管道工作內(nèi)壓，MPa；D為管道內(nèi)徑，mm；h為管道壁厚，mm。

設(shè)單向滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料板寬度為單位1，滌綸與苧麻纖維層的纖維網(wǎng)厚度為d1、d2，基體厚度為dm，基體厚度dm與纖維體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，則有：

(5)

式中，V1為滌綸層占纖維層總體積的體積分?jǐn)?shù)，%。

結(jié)合式(2)和(5)，滌綸、苧麻纖維層的纖維網(wǎng)厚度與基體厚度的關(guān)系為

dm=λ(d1+d2)

(6)

滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料沿纖維方向Y單向拉伸，在拉伸載荷F作用下發(fā)生斷裂，得其平衡方程：

F=σ1d1×1+σ2d2×1+σmdm×1

(7)

式中：σ1為滌綸層拉伸應(yīng)力，MPa；σ2為苧麻纖維層拉伸應(yīng)力，MPa。

由胡克定律[9]得滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸斷裂應(yīng)變[10]ε：

σ1=E1εσ2=E2εσm=Emε

(8)

式中：E1為滌綸層拉伸模量，MPa；E2為苧麻纖維層拉伸模量，MPa；Em為基體拉伸模量，MPa。

結(jié)合式(7)和(8)，推導(dǎo)出滌綸、苧麻纖維層的拉伸應(yīng)力：

(9)

設(shè)滌綸纖維層、苧麻纖維層、基體的斷裂應(yīng)變分別為ε1a、ε2a和εma，且滿足：ε1a<ε2a<εma，若當(dāng)拉伸載荷F增加到Fa時，滌綸層首先斷裂，即當(dāng)F=Fa時，ε1=ε1a，σ1=σ1a，σ1a為滌綸層拉伸強(qiáng)度。根據(jù)式(9)，滌綸層斷裂的平衡方程為

(10)

式中：滌綸層斷裂后，苧麻纖維層和基體承擔(dān)拉伸載荷Fa。此時滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的平衡方程為

Fa=σ2d2×1+σmdm×1

(11)

若在拉伸載荷Fa作用下，苧麻纖維層也到達(dá)斷裂狀態(tài)，即ε2=ε2a，σ2=σ2a，此時滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料不會發(fā)生二次斷裂。根據(jù)式(9)，苧麻纖維層斷裂的平衡方程為

(12)

將式(6)代入式(10)和式(12)，滌綸、苧麻纖維層斷裂的平衡方程為

(13)

翻襯修復(fù)受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料不允許發(fā)生二次斷裂[11-12]。根據(jù)式(13)，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料不發(fā)生二次斷裂的臨界體積分?jǐn)?shù)V1*為

(14)

1.2 理論拉伸強(qiáng)度

翻襯修復(fù)受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸斷裂情況可分為2種[6, 11]:

(15)

結(jié)合式(2)、(6)和式(15)，推導(dǎo)出簡化后的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度：

(16)

(17)

(18)

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：苧麻纖維規(guī)格為 6.3 dtex×90 mm(安徽雨燕麻業(yè)有限公司)；滌綸規(guī)格為 1.56 dtex×38 mm(天津利爾達(dá)化纖制品廠)；R400-2 內(nèi)襯環(huán)氧樹脂(天津合成材料工業(yè)研究所有限公司)，路博潤 58887 熱塑性聚氨酯(蘇州希珍塑化有限公司)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：電子天平(瑞安市英衡電器有限公司)，YG141型織物厚度測試儀(深圳市海濱儀器有限公司)，XFH型小和毛機(jī)(青島市膠南針織機(jī)械廠)，CUARNICARD型羅拉式梳理機(jī)(西班牙SABADELL)，SCZ-1150型針刺機(jī)(常熟無紡機(jī)械設(shè)備廠)，Y/TD71-45 A 型塑料制品液壓機(jī)(天津市液壓廠)，INSTRON 5969型萬能強(qiáng)力機(jī)(美國INSTRON)，Hitachi TM3030型臺式掃描電鏡(日本日立公司)。

2.2 滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的制備

滌綸與苧麻纖維以0、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%的體積分?jǐn)?shù)混雜[13]，在小和毛機(jī)上混和開松，梳理機(jī)上成網(wǎng)，針刺機(jī)上以定量 600 g/m2、針刺密度為240刺/cm2的條件針刺，制成滌綸/苧麻非織造材料。溫度180 ℃，壓力4～6 MPa下液壓機(jī)熔融聚氨酯，壓力0.8～1.2 MPa下與滌綸/苧麻非織造材料復(fù)合16～20 s。定量 1 500 g/m2的環(huán)氧樹脂來手糊覆膜后的滌綸/苧麻非織造材料，于室溫下固化，制成滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料。

2.3 測試方法

2.3.1 拉伸性能測試

為翻襯修復(fù)受損的大管徑、非壓力排污或排水管道，選用高強(qiáng)度、高模量的滌綸、苧麻纖維。參考ASTM D3379-75《高模量單絲材料拉伸強(qiáng)度和彈性模量測試方法》測試滌綸、苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。隨機(jī)地在纖維束上截取一段，抽出單根纖維，施加一定的張力，使單根纖維橫向拉直緊繃在紙框上，單根纖維的兩端用膠黏劑粘好，干燥后將紙框垂直固定于萬能強(qiáng)力儀的上下夾具中，調(diào)試好儀器，剪斷紙框；單根纖維的測定長度為20 mm，拉伸速度為10 mm/min；測試30組，取平均值，為滌綸、苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。

按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》測試滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。拉伸試樣規(guī)格約為250 mm×25 mm(長×寬)，縱橫向各5個；采用美國INSTRON生產(chǎn)的萬能強(qiáng)力儀進(jìn)行測試，拉伸試樣夾持距為150 mm，加載速度為5 mm/min。

2.3.2 形貌觀察

采用Hitachi TM3030型臺式掃描電鏡，觀察滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的縱橫向斷裂面微觀形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 理論臨界體積分?jǐn)?shù)

由于非織造材料的纖維取向多元，混雜效應(yīng)的隨機(jī)性比較大[14-15]，則采用單根滌綸、苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量模擬滌綸、苧麻纖維層的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，得到滌綸與苧麻纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)和滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸性能的變化規(guī)律。測試并計(jì)算后得到的滌綸拉伸強(qiáng)度σ1a為0.63 GPa，拉伸模量E1為 13.17 GPa；苧麻纖維的拉伸強(qiáng)度σ2a為0.48 GPa，拉伸模量E2為7.86 GPa；環(huán)氧樹脂的拉伸模量Em為2.96 GPa。假設(shè)纖維總體積含量Vf為0.6[13]，將以上數(shù)據(jù)代入式(14)中，通過計(jì)算可得高強(qiáng)滌綸與苧麻纖維的臨界體積分?jǐn)?shù)為17.7%。根據(jù)式(16)～(18)可知，當(dāng)高強(qiáng)滌綸體積分?jǐn)?shù)不低于17.7%時，此時翻襯修復(fù)受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料理論上不發(fā)生二次斷裂。

3.2 理論拉伸強(qiáng)度

根據(jù)上述的高強(qiáng)滌綸與苧麻纖維的相關(guān)性能數(shù)據(jù)，結(jié)合式(16)～(18)，可得到不同滌綸纖維體積分?jǐn)?shù)的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 不同滌綸體積分?jǐn)?shù)的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度Fig.2 Theoretical tensile strength of polyester/ramie nonwoven composites with different volume fractions of polyester fiber

從圖2中可看出，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度與滌綸纖維體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。當(dāng)滌綸體積分?jǐn)?shù)小于17.7%時，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度隨著滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加而降低；當(dāng)滌綸體積分?jǐn)?shù)大于17.7%，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度隨著滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加而增大；當(dāng)滌綸體積分?jǐn)?shù)等于17.7%，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度最小。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證

3.3.1 滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

表1示出不同滌綸體積分?jǐn)?shù)的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的測試結(jié)果。可知：滌綸體積分?jǐn)?shù)為20%的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是滌綸體積分?jǐn)?shù)為0、10%、20%、30%、40%、60%、80%和100% 8個組別中的最小值，為42.69 MPa，從而表明臨界體積分?jǐn)?shù)在滌綸體積分?jǐn)?shù)20%附近。實(shí)驗(yàn)得到的臨界體積分?jǐn)?shù)在20%附近，與理論的臨界體積分?jǐn)?shù)17.7%區(qū)別不大。結(jié)果表明，建立的新型滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料臨界體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式具有較高的實(shí)用性。

表1 不同滌綸體積分?jǐn)?shù)的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度Tab.1 Tensile strength of polyester/ramie nonwoven composites with different volume fractions of polyester fiber

3.3.2 實(shí)驗(yàn)值與理論值對比與分析

由表1發(fā)現(xiàn)：滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)拉伸強(qiáng)度與理論拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，即滌綸纖維體積分?jǐn)?shù)未到達(dá)臨界體積分?jǐn)?shù)時，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，到達(dá)臨界體積分?jǐn)?shù)之后，隨滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，與不同滌綸體積分?jǐn)?shù)對滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論拉伸強(qiáng)度的影響結(jié)論相同。

與此同時發(fā)現(xiàn)，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值低于理論值。出現(xiàn)這一情況是因?yàn)樵诶碚撝涤?jì)算當(dāng)中將單根苧麻、滌綸的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量模擬苧麻、滌綸層的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，未考慮苧麻、滌綸層的實(shí)際加工[16]。此外，樹脂浸潤纖維不全面也是導(dǎo)致同組其他滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值低于理論值原因之一。

3.3.3 臨界體積分?jǐn)?shù)

為使翻襯修復(fù)受損大管徑、非壓力排污或排水管道的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料不發(fā)生二次斷裂，進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)得到的臨界體積分?jǐn)?shù)，即滌綸體積分?jǐn)?shù)約為20%。圖3示出滌綸體積分?jǐn)?shù)為20%附近的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度?？芍?，滌綸體積分?jǐn)?shù)為18%的滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度值最小，為41.57 MPa。滌綸體積分?jǐn)?shù)為16%、18%、20%、22%和24%的5個組別中拉伸強(qiáng)度相差不大，表明臨界體積分?jǐn)?shù)在滌綸體積分?jǐn)?shù)18%附近。同時考慮實(shí)際操作的便利，以及防止滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料發(fā)生二次斷裂現(xiàn)象，將臨界體積分?jǐn)?shù)設(shè)為滌綸體積分?jǐn)?shù)20%更為合理。

圖3 滌綸體積分?jǐn)?shù)為20%附近的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of composites near 20% of volume fraction of polyester fiber

3.4 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)表征

圖4示出滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的縱橫向斷裂面形貌。

圖4 滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的縱橫向斷裂面形貌(×50)Fig.4 Longitudinal(a) and transverse(b) fracture morphology of polyester/ramie nonwoven composites(×50)

在拉伸實(shí)驗(yàn)的過程中，滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料表面的樹脂層首先產(chǎn)生裂紋，然后裂紋隨著拉伸強(qiáng)度的增加而逐漸增生擴(kuò)散，并在很短的時間內(nèi)復(fù)合材料發(fā)生斷裂。在滌綸和苧麻混雜的纖維層斷裂后，纖維從樹脂基體中抽拔出，可以觀察出斷口表面凹凸不平，纖維斷頭較多，表明大多數(shù)的滌綸、苧麻纖維承受了載荷。這種以裂紋沿纖維束擴(kuò)展而拉斷的破壞模式與理論中假設(shè)的苧麻、滌綸層的拉伸斷裂破壞模式一致，證明滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論臨界體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式的可行性。

4 結(jié) 論

針對管道修復(fù)用滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料在翻襯施工中易出現(xiàn)承壓不足等問題，提出利用復(fù)合材料混合定律和胡克定律建立滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論臨界體積分?jǐn)?shù)和拉伸強(qiáng)度計(jì)算方法。

1)管道修復(fù)用滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的理論臨界體積分?jǐn)?shù)為17.7%，此時的理論拉伸強(qiáng)度最小。

2)管道修復(fù)用滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)得到的臨界體積分?jǐn)?shù)為20%，理論與實(shí)際的臨界體積分?jǐn)?shù)區(qū)別不大，表明臨界體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式具有一定實(shí)用性；然而由于苧麻、滌綸層的實(shí)際加工，及樹脂浸潤纖維不全面等誤差原因，導(dǎo)致同組其他滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值比理論拉伸強(qiáng)度低。

3)管道修復(fù)用滌綸/苧麻非織造復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)得到的拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律與理論一致。即滌綸體積分?jǐn)?shù)未到達(dá)臨界體積分?jǐn)?shù)時，拉伸強(qiáng)度隨滌綸體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，到達(dá)臨界體積分?jǐn)?shù)之后，隨滌綸纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。

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