噴涂紫外光固化樹(shù)脂在排水管道修復(fù)中的應(yīng)用研究

司金艷 王光明 陳北亞 魯靜 于皓

1.北京市市政工程研究院 100037

2.北京北排建設(shè)有限公司環(huán)境技術(shù)分公司 100071

3.北京政平建設(shè)集團(tuán)有限公司 100093

4.北京中水綠洲工程管理有限公司 101500

引言

排水管道是指匯集和排放污水、廢水和雨水的管渠及其附屬設(shè)施所組成的系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)不斷發(fā)展，居民生活排水及工業(yè)廢水排放量隨之增加；近年來(lái)特殊天氣頻發(fā)［1］，雨水的排放量大幅增長(zhǎng)；現(xiàn)狀排水管線系統(tǒng)由于年久失修存在較大安全隱患，污水管線斷裂滲漏導(dǎo)致道路塌陷的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；汛期大量雨水無(wú)法及時(shí)排除造成城市內(nèi)澇，這也給社會(huì)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)壓力。因此，排水管道的增設(shè)和維修成為維持城市正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，需盡快改造城市內(nèi)有安全隱患的排水管線，并完善排水管線系統(tǒng)［2］。

北京由于歷史原因，管道歷史悠久，形式各異，大多超期服役，需要及時(shí)維修延壽。在北京城市規(guī)劃中，要改善居民生活環(huán)境，補(bǔ)充完善城市功能，避免管道淤堵、破損、地面塌陷、管道修復(fù)工作勢(shì)在必行［3］。與此同時(shí)，基于城市功能和運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，更甚至有些管道已是歷史文物，不允許開(kāi)挖修復(fù)，因此迫切需要一種非開(kāi)挖管道修復(fù)方式來(lái)解決上述問(wèn)題。

目前紫外光固化修復(fù)技術(shù)因其可以快速施工、整體性好、斷面損失小、抗?jié)B性能強(qiáng)等特點(diǎn)在非開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)中得到了一定的應(yīng)用，但也存在一些技術(shù)上的問(wèn)題需要解決。比如紫外光固化修復(fù)中的軟管與原管壁結(jié)合性差、易脫離、造價(jià)高，無(wú)法適用于大管徑及特種斷面排水管道等?；谶@些問(wèn)題，本文提出一種可以用于噴涂施工的紫外光固化樹(shù)脂，對(duì)排水管道實(shí)行噴涂修復(fù)，達(dá)到防腐抗?jié)B的功能性修復(fù)。

1 傳統(tǒng)紫外光固化修復(fù)技術(shù)概述

傳統(tǒng)的紫外光固化修復(fù)管道技術(shù)主要引自于德國(guó)，其原理是利用特殊波長(zhǎng)的紫外線光的照射，其樹(shù)脂體系中的光敏物質(zhì)通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性粒子或基團(tuán)，從而引發(fā)體系中的活性樹(shù)脂進(jìn)行交聯(lián)聚合，使具有反應(yīng)活性的液態(tài)物質(zhì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)而修復(fù)受損的地下管道的一項(xiàng)非開(kāi)挖管道修復(fù)技術(shù)。紫外光固化修復(fù)技術(shù)既可以用于管道的整體修復(fù)也可以用于管道的局部點(diǎn)修復(fù)［4］。

修復(fù)過(guò)程是將浸透紫外光固化樹(shù)脂的軟管，通過(guò)檢查井口利用專用設(shè)備拉入所要修復(fù)的管道內(nèi)，封閉管道兩端端口，在此內(nèi)襯管中充壓縮空氣，使內(nèi)襯管緊貼管壁，然后通過(guò)紫外光燈照射，使樹(shù)脂硬化，內(nèi)襯管與原管壁形成統(tǒng)一整體，完成對(duì)管道的修復(fù)［5］。紫外光固化修復(fù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)操作示意如圖1 所示。

圖1 紫外光固化修復(fù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)操作示意Fig.1 Schematic diagram of UV curing repair technology

2 紫外光固化樹(shù)脂改性

2.1 紫外光固化樹(shù)脂改性機(jī)理

紫外光固化樹(shù)脂是通過(guò)紫外光照對(duì)樹(shù)脂體系中的光敏物質(zhì)產(chǎn)生活性因子，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)樹(shù)脂體系發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，從而促使樹(shù)脂硬化，在沒(méi)有紫外光照的前提下，樹(shù)脂呈流態(tài)，噴涂到管道上會(huì)發(fā)生流掛且無(wú)法與管壁結(jié)合，且樹(shù)脂黏性較大，容易堵塞噴涂設(shè)備，基于以上問(wèn)題，對(duì)紫外光固化樹(shù)脂進(jìn)行改性，降低黏度同時(shí)提高樹(shù)脂基體與管壁的粘結(jié)性，且在沒(méi)有固化反應(yīng)前，可以與管壁貼合。

2.2 選定添加劑

樹(shù)脂體系中常用的添加劑，諸如增韌劑等都可以改善樹(shù)脂的性能，因此選定合適的添加劑可以對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性，使其符合噴涂需求。增韌劑可以降低樹(shù)脂的收縮，同時(shí)提高斷裂韌性；偶聯(lián)劑可以提高樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度，提高樹(shù)脂與基體結(jié)合面的粘結(jié)力，同時(shí)提高樹(shù)脂內(nèi)活性基團(tuán)的活性，有助于提高固化效率；觸變?cè)鲞M(jìn)劑，提高樹(shù)脂內(nèi)分子黏結(jié)力，增大觸變，改善樹(shù)脂流掛現(xiàn)象；活性稀釋劑降低樹(shù)脂黏性，適用于噴涂；可噴涂樹(shù)脂的控制指標(biāo)是粘結(jié)強(qiáng)度及流掛性能。另外，加入適當(dāng)比例的固化劑，使樹(shù)脂體系在紫外光照前發(fā)生部分固化，與原管壁貼合，降低紫外光照前的流掛。

2.3 紫外光固化樹(shù)脂改性措施

選定CYD-128 環(huán)氧樹(shù)脂基體，三芳基硫鎓六氟銻酸鹽831 作為光引發(fā)劑，蒽作為光敏促進(jìn)劑構(gòu)成紫外光固化樹(shù)脂的基體材料，在此基礎(chǔ)上確定添加劑的種類與摻量。首先通過(guò)噴涂試驗(yàn)，確定活性稀釋劑的摻量，使樹(shù)脂黏性降低到適合噴涂作業(yè)的范圍內(nèi)，然后通過(guò)三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定偶聯(lián)劑、觸變?cè)鲞M(jìn)劑和樹(shù)脂固化劑的摻量，最后通過(guò)樹(shù)脂收縮率實(shí)驗(yàn)，確定增韌劑的摻量，最終確定噴涂紫外光固化樹(shù)脂的最佳配合比。因涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)，本文的偶聯(lián)劑等添加劑不公開(kāi)具體選定的產(chǎn)品，只給出其性能指標(biāo)和作用機(jī)理，并公開(kāi)試驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)。

1.增韌劑

環(huán)氧樹(shù)脂在固化過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積收縮，從而降低其粘結(jié)強(qiáng)度，影響噴涂界面整體性，增韌劑可以降低環(huán)氧樹(shù)脂的收縮，并且可以提高其斷裂韌性，進(jìn)而提高樹(shù)脂的剪切拉伸強(qiáng)度。不同增韌劑的增韌機(jī)理不同，應(yīng)該選定在常溫條件下就可以起到增韌和提高粘結(jié)強(qiáng)度的增韌劑，參與環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)，增加柔性鏈段，在提高韌性的同時(shí)，不會(huì)降低耐濕熱老化性，同時(shí)具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

2.偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑具有兩個(gè)不同性質(zhì)的官能團(tuán)，一個(gè)是親無(wú)機(jī)物的基團(tuán)，易與無(wú)機(jī)物表面起化學(xué)反應(yīng)；另一個(gè)是親有機(jī)物的基團(tuán)，能與合成樹(shù)脂或其他聚合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯(lián)劑可以提高樹(shù)脂的粘結(jié)強(qiáng)度，將有機(jī)樹(shù)脂與無(wú)機(jī)砂漿界面結(jié)合在一起。因?yàn)樵摬牧系膽?yīng)用場(chǎng)景為地下管道噴涂修復(fù)，修復(fù)界面無(wú)法做到完全干燥，因此選擇偶聯(lián)劑時(shí)避免選擇會(huì)因?yàn)榫哂杏坞x水而影響作用的類型即可，推薦具備良好水解穩(wěn)定性的偶聯(lián)劑。

3.觸變?cè)鲞M(jìn)劑

加入樹(shù)脂中，與聚合物形成氫鍵，能使樹(shù)脂在靜止時(shí)具備較高的稠度，外力作用時(shí)又會(huì)變成低稠度的流體狀態(tài)，從而使樹(shù)脂在噴涂過(guò)程產(chǎn)生較大流動(dòng)性，具備良好的施工性能，噴到管壁界面時(shí)又會(huì)變成高稠度狀態(tài)，減少流掛現(xiàn)象產(chǎn)生，選擇溶劑型觸變?cè)鲞M(jìn)劑即可。

4.樹(shù)脂固化劑

光固化樹(shù)脂中含有光敏物質(zhì)，需要光引發(fā)劑和光敏促進(jìn)劑使其在紫外光燈照射下發(fā)生反應(yīng)，從而引發(fā)樹(shù)脂產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，但是在噴涂施工紫外光燈照射前，加入對(duì)應(yīng)體系的樹(shù)脂固化劑，可以促進(jìn)樹(shù)脂的固化反應(yīng)，提高固化率，使樹(shù)脂與原管壁更緊密貼合，選擇可以在潮濕環(huán)境下仍具有良好穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)樹(shù)脂固化劑即可。

5.活性稀釋劑

活性稀釋劑會(huì)參與樹(shù)脂的固化反應(yīng)，從而降低樹(shù)脂的黏度，利于噴涂修復(fù)，選擇陽(yáng)離子型固化劑，與樹(shù)脂發(fā)生陽(yáng)離子聚合反應(yīng)，降黏效果比其他類型活性稀釋劑更好。

3 紫外光固化樹(shù)脂改性試驗(yàn)

3.1 噴涂試驗(yàn)

通過(guò)高壓離心噴涂機(jī)的測(cè)定，當(dāng)樹(shù)脂黏度在35Pa·s～42Pa·s之間時(shí)，可以保證連續(xù)噴涂且不會(huì)堵塞噴涂機(jī)頭，也不會(huì)過(guò)于粘壁，要使黏度保持在此范圍內(nèi)，活性稀釋劑的濃度范圍在3%～4%，本文選定活性稀釋劑的濃度為3%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

3.2 正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)偶聯(lián)劑、觸變?cè)鲞M(jìn)劑、樹(shù)脂固化劑的三因素三水平正交試驗(yàn)配合比，進(jìn)行流掛性能、粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究，確定材料的配合比見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)三因素三水平設(shè)計(jì)Tab.1 Three-factor and three-level design table of orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)Tab.2 Orthogonal test table

3.3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)分析正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)材料的流掛性能和粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical table of test data

正交試驗(yàn)結(jié)果分析如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.4 Orthogonal test result analysis

通過(guò)表4 的試驗(yàn)結(jié)果，可以確定影響因素的主次順序，材料粘結(jié)強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)榕悸?lián)劑（A）、樹(shù)脂固化劑（C）、觸變?cè)鲞M(jìn)劑（B），流掛性能影響的主次順序?yàn)橛|變?cè)鲞M(jìn)劑（B）、樹(shù)脂固化劑（C）、偶聯(lián)劑（A），基于本試驗(yàn)研究所期望達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，最佳的原材料組合為：A3B3C2，即在紫外光固化樹(shù)脂體系中加入8%偶聯(lián)劑、4%觸變?cè)鲞M(jìn)劑和6%的樹(shù)脂固化劑。

3.4 收縮率試驗(yàn)

本試驗(yàn)利用體積收縮率測(cè)定樹(shù)脂固化過(guò)程的收縮特性，所謂體積收縮率是指樹(shù)脂固化前后的體積差與固化前的體積之比。在紫外光固化樹(shù)脂改性體系中，選定增韌劑的濃度分別為2%、3%、4%、5%、6%，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，紫外光固化樹(shù)脂的體積收縮率隨增韌劑的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先降低后增長(zhǎng)的過(guò)程，這是因?yàn)樵鲰g劑可以使樹(shù)脂分子互相包裹，形成類似于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)，防止樹(shù)脂收縮，但是增韌劑量太大后，樹(shù)脂聚合反應(yīng)增加，分子鏈運(yùn)動(dòng)活性提高，分子排列從無(wú)序到有序，形成類似結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，收縮就會(huì)增加，所以添加適當(dāng)比例的增韌劑是必須的，本文選定4%的增韌劑摻量。

圖2 體積收縮率隨增韌劑濃度變化曲線Fig.2 Volume shrinkage curve with toughening agent concentration

3.5 最終配合比

按照噴涂試驗(yàn)、正交試驗(yàn)及收縮率試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，最終選定噴涂紫外光固化樹(shù)脂的最優(yōu)配合比如表5 所示。

表5 噴涂紫外光固化樹(shù)脂的最優(yōu)配合比Tab.5 Optimum mix ratio of UV-curable resin for spraying

4 紫外光固化樹(shù)脂噴涂管道試驗(yàn)

利用表5 配制噴涂紫外光固化樹(shù)脂，然后通過(guò)專用設(shè)備噴涂一段直徑800mm、2m 長(zhǎng)的混凝土管，噴涂后對(duì)管道進(jìn)行紫外光燈照射，待樹(shù)脂固化后及24h 后對(duì)該段管進(jìn)行管道機(jī)器人檢測(cè)，測(cè)試噴涂效果，并對(duì)該管節(jié)進(jìn)行閉水試驗(yàn)，測(cè)定噴涂后的抗?jié)B性能。

通過(guò)管道機(jī)器人對(duì)噴涂層進(jìn)行外觀及超聲波檢測(cè)，整段管的噴涂層均勻、連續(xù)，無(wú)氣泡、鼓包及裂縫產(chǎn)生；沒(méi)有固化不完全或未固化現(xiàn)象；處理后的管道任意點(diǎn)的平均壁厚不小于設(shè)計(jì)值的90%，并且厚度差異不高于5%，噴涂前后管道如圖3所示。

圖3 噴涂前后管道Fig.3 Pipeline before and after spraying

對(duì)修復(fù)管段進(jìn)行密閉性水重壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)管段滿水后，浸泡時(shí)間不應(yīng)少于24h；在壓力為50kPa，穩(wěn)壓15h的工作條件下，壓降為0.01MPa，按規(guī)范要求＜0.02MPa即為合格。

根據(jù)管道噴涂后的表觀測(cè)試及閉水試驗(yàn)測(cè)試，說(shuō)明利用紫外光固化樹(shù)脂進(jìn)行管道噴涂修復(fù)，可以對(duì)管道起到抗?jié)B性修復(fù)，并且紫外光固化樹(shù)脂形成的內(nèi)壁層，粗糙度系數(shù)僅為0.009，對(duì)比原管道1.0 的粗糙度系數(shù)，相同條件下管道過(guò)流量提升近15%～20%。

5 防腐性能測(cè)試

耐腐蝕性是管道功能性修復(fù)的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)選用10%NaOH和10%H2SO4兩種溶液，將制作的70mm ×70mm ×70mm 的普通混凝土試塊和表面噴涂紫外光固化樹(shù)脂的試塊放到兩種溶液中浸泡，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)試質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度有無(wú)損失，養(yǎng)護(hù)完后的普通試塊抗壓強(qiáng)度為47.5MPa，噴涂紫外光固化樹(shù)脂的試塊抗壓強(qiáng)度為52.5MPa，浸泡后的測(cè)試結(jié)果如表6 所示。

表6 噴涂紫外光固化樹(shù)脂的試塊防腐性測(cè)試結(jié)果Tab.6 The test results of the corrosion resistance of the samples sprayed with UV-curable resin

通過(guò)表6 可以看出，噴涂紫外光固化樹(shù)脂后的混凝土試塊其耐腐蝕性明顯高于普通混凝土試塊。這是因?yàn)樽贤夤夤袒瘶?shù)脂在混凝土表面形成致密連續(xù)的保護(hù)層，噴涂紫外光固化樹(shù)脂可以對(duì)管道起到防腐修復(fù)作用。

6 噴涂紫外光固化樹(shù)脂管道修復(fù)工藝

通過(guò)地面噴涂紫外光固化樹(shù)脂試驗(yàn)，結(jié)合管道噴涂修復(fù)技術(shù)，總結(jié)噴涂紫外光固化樹(shù)脂管道修復(fù)工藝的基本流程如圖4 所示。對(duì)將要進(jìn)行噴涂修復(fù)的管段的上游進(jìn)行封堵截流，作業(yè)管道進(jìn)行降水和導(dǎo)水，保證噴涂作業(yè)期間該管段內(nèi)無(wú)流水和積水。之后對(duì)管道進(jìn)行預(yù)處理，包括清淤、高壓水沖洗及管壁清理，沖洗的水應(yīng)及時(shí)抽走，管壁應(yīng)無(wú)油漬、泥垢等雜質(zhì)，保證噴涂效果，管壁可以是潮濕狀態(tài)，但不應(yīng)有明水流動(dòng)。之后對(duì)該管段進(jìn)行噴涂作業(yè)，噴涂后進(jìn)行紫外光燈照射。待樹(shù)脂固化后2h，對(duì)噴涂?jī)?nèi)壁進(jìn)行CCTV檢測(cè)。如管壁完整、光滑，厚度均勻，無(wú)氣泡，則符合要求，即可通水；如不符合要求要重新噴涂，直至達(dá)到要求為止。

圖4 噴涂紫外光固化樹(shù)脂管道修復(fù)工藝流程Fig.4 Spray-on UV-curable resin for pipeline repair process flow diagram

該工藝適用于排水管道功能性修復(fù)場(chǎng)景，對(duì)各種類型、各種尺寸的管道都適用，但僅對(duì)管道起到抗?jié)B防腐的修復(fù)效果，無(wú)法達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的作用，因此，如管道發(fā)生承載力下降或結(jié)構(gòu)性破壞，該修復(fù)措施并不適用。

7 結(jié)論

1.通過(guò)對(duì)紫外光化樹(shù)脂進(jìn)行改性可以降低其黏度同時(shí)提高粘結(jié)性能，使其適合噴涂作業(yè)，經(jīng)過(guò)系列試驗(yàn)確定了噴涂紫外光固化樹(shù)脂的最優(yōu)配合比。

2.利用該材料對(duì)管道進(jìn)行噴涂作業(yè)，噴漿連續(xù)不堵塞，噴后的管壁均勻致密，厚度統(tǒng)一，且粗糙度系數(shù)降低，提高流速。

3.經(jīng)過(guò)閉水試驗(yàn)和耐腐蝕性試驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)管道噴涂紫外光固化樹(shù)脂后，可以起到防腐抗?jié)B的功能性修復(fù)效果。

將紫外光固化樹(shù)脂進(jìn)行改性，對(duì)管道實(shí)施噴涂修復(fù)作業(yè)，可以有效避免傳統(tǒng)紫外光固化修復(fù)技術(shù)的缺點(diǎn)，適用于更多類型、更多應(yīng)用場(chǎng)景的管道修復(fù)作業(yè)，促進(jìn)紫外光固化修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。