城鎮(zhèn)排水管渠原位固化內(nèi)襯管樹(shù)脂浸漬特性研究

石東優(yōu)，張 軍，曹井國(guó),?，楊宗政,，董澤樟，張大群

（1.重慶克那維環(huán)?？萍加邢薰?，重慶401147；2.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院，天津300457；3.天津水工業(yè)工程設(shè)備有限公司，天津300070）

非開(kāi)挖技術(shù)是一種新型管道修復(fù)技術(shù)，具有開(kāi)挖量小、無(wú)接口、費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在城鎮(zhèn)排水管道維修中被廣泛應(yīng)用。非開(kāi)挖管道修復(fù)施工方法有穿插法、原位固化法（CIPP）、碎（裂）管法、折疊內(nèi)襯法、縮徑內(nèi)襯法、螺旋纏繞法、局部修復(fù)法和噴涂法等[1～4]，其中原位固化法（CIPP）因質(zhì)量易控制、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性廣，在城鎮(zhèn)排水管道修復(fù)中的應(yīng)用越來(lái)越多。原位固化法（CIPP）是將浸透樹(shù)脂的內(nèi)襯管作為管道內(nèi)襯材料，形成一層堅(jiān)硬的“管中管”，使地下管道在原位得到修補(bǔ)和更新，其修復(fù)質(zhì)量取決于內(nèi)襯管與樹(shù)脂浸潤(rùn)的效果。

在浸漬過(guò)程中，內(nèi)襯管基材與樹(shù)脂基體要經(jīng)過(guò)接觸、浸潤(rùn)[5]。內(nèi)襯管基材與樹(shù)脂之間的浸潤(rùn)直接影響固化管的各項(xiàng)性能，浸潤(rùn)與黏附作用好，界面黏結(jié)強(qiáng)度就高[6～7]；如果浸潤(rùn)與黏附作用差，界面出現(xiàn)空隙，黏結(jié)界面應(yīng)力傳遞差，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)襯管各項(xiàng)性能變差。因此，對(duì)內(nèi)襯管基材與樹(shù)脂基體間的浸潤(rùn)與黏附作用研究，有助于理解不同內(nèi)襯管固化性能差異，提高原位固化法（CIPP）修復(fù)管道質(zhì)量。

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真空度對(duì)內(nèi)襯管及樹(shù)脂的浸漬速率產(chǎn)生較大影響[8]，不同廠家的內(nèi)襯管材料浸潤(rùn)效果差異很大。在此基礎(chǔ)上，本文基于樹(shù)脂及內(nèi)襯管材料自身的特性（包括表面張力、黏度及表面能），在不同溫度下測(cè)定樹(shù)脂與內(nèi)襯管材料接觸角、黏附功，對(duì)比分析了3個(gè)廠家內(nèi)襯管材料與樹(shù)脂的浸潤(rùn)、黏附作用相關(guān)規(guī)律，以期為原位固化法（CIPP）內(nèi)襯管選材、運(yùn)用及研究提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

3種滌綸材質(zhì)的無(wú)紡布內(nèi)襯管材料；Z455TV-901不飽和環(huán)氧樹(shù)脂、TXC叔丁脂（催化劑）及PX16（固化劑），使用質(zhì)量比100∶1∶0.8。見(jiàn)表1。

表1 不同內(nèi)襯管無(wú)紡布材料參數(shù)

T/CECS 559—2018《給水排水管道原位固化法修復(fù)工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，內(nèi)襯管主材的抗拉強(qiáng)度應(yīng)＞5 MPa。3種材料單位質(zhì)量厚度相近，國(guó)產(chǎn)A無(wú)紡布的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于國(guó)產(chǎn)B和進(jìn)口C無(wú)紡布，但均能滿足使用要求。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 內(nèi)襯管與樹(shù)脂的浸潤(rùn)

內(nèi)襯管一端插入真空管，兩端密封，開(kāi)啟真空泵，達(dá)到設(shè)置真空度，一端繼續(xù)抽真空，另一端打開(kāi)密封膠帶，灌入配制好的樹(shù)脂，待內(nèi)襯管浸潤(rùn)飽和。

1.2.2 固化試驗(yàn)流程

內(nèi)襯管充填樹(shù)脂→扎口→固定在翻轉(zhuǎn)架上→常溫水翻轉(zhuǎn)→循環(huán)水加熱、樹(shù)脂固化→切樣檢測(cè)。

1.2.3 表征方法

采用Sigma 701全自動(dòng)表面張力儀測(cè)試樹(shù)脂表面張力，檢測(cè)臨界感應(yīng)值為2 mg，測(cè)試速度為0.2 mm/s。

基于座滴法[5]，采用DSA30全自動(dòng)接觸角測(cè)定儀測(cè)試樹(shù)脂與纖維前進(jìn)接觸角，檢測(cè)臨界感應(yīng)值為0.15 mg，測(cè)試速度為0.01 mm/s。

纖維表面、色散及極性分量采用IGC[9]間接測(cè)定，用甲烷測(cè)量死體積，載氣為氦氣，流速為10 mL/min，探針箱溫度35℃，柱溫箱溫度30℃，相對(duì)濕度為0。在注射探測(cè)液體小分子之前，先對(duì)樣品預(yù)處理30 min，除去表面吸附的雜質(zhì)。

用TH-060型土工布測(cè)厚儀測(cè)定無(wú)紡布厚度，孔隙率參考文獻(xiàn)[10]進(jìn)行測(cè)定；使用美國(guó)BROOKFIEL博力飛DV-III黏度計(jì)測(cè)試樹(shù)脂黏度；按照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（條樣法）》，采用CCMT 4503萬(wàn)能電子拉力機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量；按照GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測(cè)定》進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和彎曲模量測(cè)試。

1.3 無(wú)紡布與樹(shù)脂表面能及黏附功計(jì)算

無(wú)紡布與樹(shù)脂的表面能和黏附功分別采用Owens-Wendt-Kaelble法和Young-Dupre法計(jì)算得到。

Owens-Wendt-Kaelble法[11～14]是1969年Owens and Wendt在Foukes法的基礎(chǔ)上考慮極性部分。理論方程為

Young-Dupre法[15～16]是Dupre在Young方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得到黏附功Wa與接觸角θ之間的關(guān)系

式中：γLV為樹(shù)脂表面張力；θ為樹(shù)脂與無(wú)紡布接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同廠家內(nèi)襯管與樹(shù)脂浸潤(rùn)速率

對(duì)3種內(nèi)襯管與樹(shù)脂在不同真空度下浸潤(rùn)速率進(jìn)行了研究。國(guó)產(chǎn)A、國(guó)產(chǎn)B及進(jìn)口C 3種內(nèi)襯管無(wú)紡布的孔隙率相差不大，隨著真空度的升高，浸潤(rùn)速率加快；在相同真空度下，進(jìn)口C的浸潤(rùn)速率優(yōu)于國(guó)產(chǎn)A及國(guó)產(chǎn)B。見(jiàn)表2。

表2 不同真空度下內(nèi)襯管的浸潤(rùn)速率

工程實(shí)踐中，內(nèi)襯管絕對(duì)真空度越高，說(shuō)明無(wú)紡布內(nèi)所含氣體量越少；在浸潤(rùn)過(guò)程中，樹(shù)脂與內(nèi)襯管無(wú)紡布表面分子充分接觸、鏈段間能夠相互擴(kuò)散，形成良好界面。

2.2 溫度對(duì)樹(shù)脂黏度及表面張力的影響

黏度是流體黏滯性的一種量度，是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部的摩擦現(xiàn)象；根據(jù)Darcy定律可知，樹(shù)脂在增強(qiáng)無(wú)紡布中的流動(dòng)速率隨黏度的增大而減小，在其他變量一致的情況下，浸潤(rùn)速率與樹(shù)脂的黏度成反比。Z455TV-901樹(shù)脂及Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系的黏度都隨溫度的升高而降低，有利于樹(shù)脂與無(wú)紡布間的浸潤(rùn)。見(jiàn)圖1。

圖1 樹(shù)脂及樹(shù)脂體系的黏度隨溫度的變化曲線

作為潤(rùn)濕現(xiàn)象中的一個(gè)重要物理量，在樹(shù)脂與無(wú)紡布浸潤(rùn)過(guò)程中，樹(shù)脂的表面張力越小，越有利于浸潤(rùn)。相同溫度下Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系的表面張力均比Z455TV-901樹(shù)脂低，見(jiàn)圖2。

圖2 樹(shù)脂及樹(shù)脂體系的表面張力隨溫度的變化曲線

這是由于樹(shù)脂體系的表面張力與其各自的化學(xué)組分密切相關(guān)，如：分子間的相互作用力；同時(shí)，小分子、低密度的固化劑，在熱運(yùn)動(dòng)作用下自發(fā)的從能量高的位置遷移到能量低的位置，改變了Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系的表面熵和表面內(nèi)能，最終導(dǎo)致表面張力降低[5]。

2.3 無(wú)紡布表面能對(duì)比

測(cè)出小分子液體與無(wú)紡布絲束接觸角，見(jiàn)表3。

表3 小分子液體與無(wú)紡布的接觸角

3種小分子液體的表面張力、色散及極性分量見(jiàn)表4。

表4 小分子液體的表面張力、色散及極性分量mN/m

將表3和表4檢測(cè)的結(jié)果代入式（1），計(jì)算得出3種無(wú)紡布的表面能大小關(guān)系：進(jìn)口C＞國(guó)產(chǎn)B＞國(guó)產(chǎn)A。見(jiàn)表5。

表5 3種無(wú)紡布的表面能、其色散及極性分量mN/m

常溫下Z455TV-901樹(shù)脂的表面張力高于Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系的表面張力，因此，常溫條件下Z455TV-901樹(shù)脂和Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系對(duì)進(jìn)口C的浸潤(rùn)性較好。從浸潤(rùn)熱力學(xué)角度分析，要獲得良好的表面浸潤(rùn)和界面粘接性能，要求樹(shù)脂的表面張力應(yīng)低于無(wú)紡布的表面能，而且無(wú)紡布的表面能越高，越有利于浸潤(rùn)[9]；因此，進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂的浸潤(rùn)效果優(yōu)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無(wú)紡布。

無(wú)紡布的極性和色散分量也反映了分子鍵的極性與非極性相互作用，他們的大小同樣會(huì)對(duì)樹(shù)脂和無(wú)紡布的界面粘接產(chǎn)生一定影響[17]。

2.4 溫度對(duì)無(wú)紡布與樹(shù)脂接觸角的影響

為進(jìn)一步研究不同溫度下樹(shù)脂與無(wú)紡布的浸潤(rùn)特性，采用座滴法[5]對(duì)樹(shù)脂與無(wú)紡布的接觸形態(tài)進(jìn)行分析。接觸角是衡量液體對(duì)固體浸潤(rùn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是潤(rùn)濕程度的量度，液體對(duì)固體潤(rùn)濕程度可用接觸角表示。

在20～80℃條件下，樹(shù)脂與無(wú)紡布束的表觀接觸角隨溫度的升高而減小，這主要是樹(shù)脂表面張力和黏度隨溫度的變化導(dǎo)致[18～19]。隨著溫度的升高，樹(shù)脂的表面張力減小，樹(shù)脂對(duì)無(wú)紡布束的接觸角也減小，接觸角越小越有利于樹(shù)脂與無(wú)紡布的浸潤(rùn)，因此升溫（未發(fā)生固化反應(yīng)）可以有效改善樹(shù)脂與無(wú)紡布的浸潤(rùn)性；相同溫度下3種無(wú)紡布與Z455TV-901樹(shù)脂的接觸角大于與樹(shù)脂體系接觸角，這是因?yàn)楣袒瘎┬》肿拥募尤雽?dǎo)致樹(shù)脂體系黏度和表面張力降低，改善了樹(shù)脂對(duì)無(wú)紡布的潤(rùn)濕性[20]；相同溫度范圍內(nèi)，進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂的接觸角小于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無(wú)紡布與樹(shù)脂的接觸角，進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂的浸潤(rùn)效果優(yōu)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無(wú)紡布。見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不同溫度下樹(shù)脂與國(guó)產(chǎn)A無(wú)紡布束接觸角的初始形態(tài)

圖4 不同溫度下樹(shù)脂和樹(shù)脂體系與無(wú)紡布的接觸角

2.5 溫度對(duì)無(wú)紡布與樹(shù)脂黏附功的影響

熱力學(xué)黏附功是表征界面結(jié)合能力強(qiáng)弱的一種熱力學(xué)量度，是用來(lái)研究復(fù)合材料無(wú)紡布/基體界面粘接強(qiáng)度的重要參數(shù)；熱力學(xué)黏附功越大，界面粘接強(qiáng)度越高[21]。

在試驗(yàn)范圍內(nèi)，3種無(wú)紡布與Z455TV-901樹(shù)脂的黏附功均隨溫度的升高而逐漸增大，當(dāng)溫度達(dá)到60℃以后，黏附功變化趨于平緩，與圖1和圖2對(duì)應(yīng)的黏度和表面張力變化趨勢(shì)相一致，因此60℃以后，表面張力和黏度不是影響?zhàn)じ焦Φ闹饕蛩亍Ｔ诠袒磻?yīng)并未發(fā)生前Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系與3種無(wú)紡布的熱力學(xué)黏附功以40℃為界線，40℃之前隨溫度的升高有明顯的增大，40℃以后趨于平緩。隨著溫度升高,小分子PX16固化劑極易遷移至體系表面，導(dǎo)致體系的表面張力降低，促進(jìn)無(wú)紡布/樹(shù)脂體系間的黏附性。進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂的黏附功高于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無(wú)紡布，進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂的黏附性強(qiáng)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無(wú)紡布；此外，3種無(wú)紡布與樹(shù)脂體系的黏附功低于相同溫度下與樹(shù)脂的黏附功；從黏附和擴(kuò)散理論角度來(lái)分析，只有樹(shù)脂與無(wú)紡布表面分子充分接觸、鏈段間能夠產(chǎn)生相互擴(kuò)散時(shí)[22]才能獲得較大的黏附強(qiáng)度，當(dāng)樹(shù)脂中加入小分子固化劑后，樹(shù)脂體系中懸浮顆粒增多，導(dǎo)致樹(shù)脂連續(xù)相組分與無(wú)紡布表面活性基團(tuán)相互作用的比例降低，不利于樹(shù)脂與無(wú)紡布表面分子的相互接近，從而導(dǎo)致黏附性降低[10]。見(jiàn)圖5。

圖5 不同溫度下樹(shù)脂和樹(shù)脂體系與無(wú)紡布的黏附功

研究結(jié)果表明，原位固化法（CIPP）修復(fù)管道過(guò)程中，熱固化階段（固化反應(yīng)并未發(fā)生）升溫有利于二次浸潤(rùn)，隨著溫度的升高，樹(shù)脂的黏度與表面張力均降低，樹(shù)脂與無(wú)紡布接觸角減小，黏附性增強(qiáng)，有利于浸潤(rùn)及界面黏附；但溫度升高致使樹(shù)脂進(jìn)入低黏度區(qū)間后，繼續(xù)提高溫度對(duì)無(wú)紡布/樹(shù)脂的黏附作用效果不大。

良好的浸潤(rùn)使樹(shù)脂更易于在無(wú)紡布表面鋪展，保證分子間充分接觸，是良好界面形成和黏附的先決條件。在無(wú)紡布/樹(shù)脂浸潤(rùn)階段，提高真空度及適當(dāng)延長(zhǎng)接觸時(shí)間都可以保證充分浸潤(rùn)；在熱固化過(guò)程中（固化反應(yīng)并未發(fā)生），隨著溫度的升高，樹(shù)脂的黏度、表面張力均降低，樹(shù)脂與無(wú)紡布接觸角降低、黏附作用增強(qiáng)，有利于浸潤(rùn)及界面黏附，可有效促進(jìn)良好界面的形成。

2.6 3種內(nèi)襯管復(fù)合材料性能

復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)纖維通過(guò)界面發(fā)生結(jié)合，同時(shí)通過(guò)界面將荷載從基體傳遞到增強(qiáng)纖維上。因此，復(fù)合材料的性能不僅受纖維和基體性能的影響，還受界面性能的影響[23～24]。

無(wú)紡布增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、抗拉強(qiáng)度、熱變形溫度4個(gè)指標(biāo)可以作為評(píng)價(jià)復(fù)合材料的性能指標(biāo)。國(guó)產(chǎn)A、國(guó)產(chǎn)B及進(jìn)口C無(wú)紡布固化后的熱變形溫度：進(jìn)口C＞國(guó)產(chǎn)A＞國(guó)產(chǎn)B；彎曲模量：國(guó)產(chǎn)A＞進(jìn)口C＞國(guó)產(chǎn)B；彎曲強(qiáng)度：國(guó)產(chǎn)B＞進(jìn)口C＞國(guó)產(chǎn)A；抗拉強(qiáng)度：國(guó)產(chǎn)A＞進(jìn)口C＞國(guó)產(chǎn)B。除彎曲強(qiáng)度指標(biāo)外，其他指標(biāo)相差不大。見(jiàn)表6。

表6 無(wú)紡布增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能

表6 中，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的抗拉強(qiáng)度＞21 MPa，主要是由于真空度較大，浸潤(rùn)速率較快。在實(shí)際樹(shù)脂充填過(guò)程中，應(yīng)以各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)為前提，控制真空度條件，降低浸潤(rùn)速率。此外，進(jìn)口C無(wú)紡布與樹(shù)脂浸潤(rùn)和熱力學(xué)黏附功都優(yōu)于國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布，說(shuō)明界面粘接強(qiáng)度進(jìn)口C無(wú)紡布優(yōu)于國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布；但復(fù)合材料的性能不僅受浸潤(rùn)及粘接界面性能的影響，還受到基材和基體性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)口C無(wú)紡布的浸潤(rùn)速率較快，理論上，浸潤(rùn)越快越有利于提高樹(shù)脂充填速度，縮短浸潤(rùn)時(shí)間；但另一方面，有可能造成浸潤(rùn)不充分，降低固化強(qiáng)度。研究所用的2種國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布密度較進(jìn)口無(wú)紡布高，所以浸潤(rùn)速率相對(duì)較慢，浸潤(rùn)后，其固化性能差異并不十分明顯，也就是說(shuō)，國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布在浸潤(rùn)、固化方面的性能與國(guó)外無(wú)紡布相差不大。

研究結(jié)果表明：可通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，在保證抗拉強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布的密度，以提高樹(shù)脂浸潤(rùn)量；或通過(guò)改性辦法[25～29]，提高樹(shù)脂浸潤(rùn)速率。

3 結(jié)論

1）3種無(wú)紡布孔隙率相差不大，提高絕對(duì)真空度可以加快無(wú)紡布與樹(shù)脂的浸潤(rùn)速率，有利于無(wú)紡布與樹(shù)脂的浸潤(rùn)，促進(jìn)良好界面的形成；但較快的浸漬速率會(huì)減少樹(shù)脂浸潤(rùn)量，從而降低固化效果。

2）Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系與3種無(wú)紡布的黏附功，隨溫度的升高呈現(xiàn)先增加、后趨于恒定的變化趨勢(shì)。此外，升溫固化階段（固化反應(yīng)并未發(fā)生），樹(shù)脂與無(wú)紡布的接觸角減小，有利于促進(jìn)樹(shù)脂與無(wú)紡布的二次浸潤(rùn)，促進(jìn)良好界面的形成。

3）3種無(wú)紡布與Z455TV-901/TXC/PX16樹(shù)脂體系的潤(rùn)濕性優(yōu)于純Z455TV-901樹(shù)脂，但黏附性恰好相反；進(jìn)口無(wú)紡布表面能大于國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布。因此，進(jìn)口無(wú)紡布與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性和黏附性較好，但國(guó)產(chǎn)無(wú)紡布彎曲模量、彎曲強(qiáng)度固化性能要優(yōu)于進(jìn)口無(wú)紡布。