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)保科技有限公司,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)
非開挖技術(shù)是一種新型管道修復(fù)技術(shù),具有開挖量小、無接口、費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),近年來在城鎮(zhèn)排水管道維修中被廣泛應(yīng)用。非開挖管道修復(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)用越來越多。原位固化法(CIPP)是將浸透樹脂的內(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)襯管與樹脂浸潤(rùn)的效果。
在浸漬過程中,內(nèi)襯管基材與樹脂基體要經(jīng)過接觸、浸潤(rùn)[5]。內(nèi)襯管基材與樹脂之間的浸潤(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。
3種滌綸材質(zhì)的無紡布內(nèi)襯管材料;Z455TV-901不飽和環(huán)氧樹脂、TXC叔丁脂(催化劑)及PX16(固化劑),使用質(zhì)量比100∶1∶0.8。見表1。
表1 不同內(nèi)襯管無紡布材料參數(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無紡布的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于國(guó)產(chǎn)B和進(jìn)口C無紡布,但均能滿足使用要求。
1.2.1 內(nèi)襯管與樹脂的浸潤(rùn)
內(nèi)襯管一端插入真空管,兩端密封,開啟真空泵,達(dá)到設(shè)置真空度,一端繼續(xù)抽真空,另一端打開密封膠帶,灌入配制好的樹脂,待內(nèi)襯管浸潤(rùn)飽和。
1.2.2 固化試驗(yàn)流程
內(nèi)襯管充填樹脂→扎口→固定在翻轉(zhuǎn)架上→常溫水翻轉(zhuǎn)→循環(huán)水加熱、樹脂固化→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。
無紡布與樹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為樹脂表面張力;θ為樹脂與無紡布接觸角。
對(duì)3種內(nèi)襯管與樹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,說明無紡布內(nèi)所含氣體量越少;在浸潤(rùn)過程中,樹脂與內(nèi)襯管無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。
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,樹脂在增強(qiáng)無紡布中的流動(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)速率與樹脂的黏度成反比。Z455TV-901樹脂及Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的黏度都隨溫度的升高而降低,有利于樹脂與無紡布間的浸潤(rùn)。見圖1。
圖1 樹脂及樹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,在樹脂與無紡布浸潤(rùn)過程中,樹脂的表面張力越小,越有利于浸潤(rùn)。相同溫度下Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的表面張力均比Z455TV-901樹脂低,見圖2。
圖2 樹脂及樹脂體系的表面張力隨溫度的變化曲線
這是由于樹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]。
測(cè)出小分子液體與無紡布絲束接觸角,見表3。
表3 小分子液體與無紡布的接觸角
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。見表5。
表5 3種無紡布的表面能、其色散及極性分量mN/m
常溫下Z455TV-901樹脂的表面張力高于Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的表面張力,因此,常溫條件下Z455TV-901樹脂和Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系對(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,要求樹脂的表面張力應(yīng)低于無紡布的表面能,而且無紡布的表面能越高,越有利于浸潤(rùn)[9];因此,進(jìn)口C無紡布與樹脂的浸潤(rùn)效果優(yōu)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無紡布。
無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)樹脂和無紡布的界面粘接產(chǎn)生一定影響[17]。
為進(jìn)一步研究不同溫度下樹脂與無紡布的浸潤(rùn)特性,采用座滴法[5]對(duì)樹脂與無紡布的接觸形態(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,樹脂與無紡布束的表觀接觸角隨溫度的升高而減小,這主要是樹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,樹脂的表面張力減小,樹脂對(duì)無紡布束的接觸角也減小,接觸角越小越有利于樹脂與無紡布的浸潤(rùn),因此升溫(未發(fā)生固化反應(yīng))可以有效改善樹脂與無紡布的浸潤(rùn)性;相同溫度下3種無紡布與Z455TV-901樹脂的接觸角大于與樹脂體系接觸角,這是因?yàn)楣袒瘎┬》肿拥募尤雽?dǎo)致樹脂體系黏度和表面張力降低,改善了樹脂對(duì)無紡布的潤(rùn)濕性[20];相同溫度范圍內(nèi),進(jìn)口C無紡布與樹脂的接觸角小于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無紡布與樹脂的接觸角,進(jìn)口C無紡布與樹脂的浸潤(rùn)效果優(yōu)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無紡布。見圖3和圖4。
圖3 不同溫度下樹脂與國(guó)產(chǎn)A無紡布束接觸角的初始形態(tài)
圖4 不同溫度下樹脂和樹脂體系與無紡布的接觸角
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,是用來研究復(fù)合材料無紡布/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種無紡布與Z455TV-901樹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?。在固化反?yīng)并未發(fā)生前Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系與3種無紡布的熱力學(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)無紡布/樹脂體系間的黏附性。進(jìn)口C無紡布與樹脂的黏附功高于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無紡布,進(jìn)口C無紡布與樹脂的黏附性強(qiáng)于國(guó)產(chǎn)A和國(guó)產(chǎn)B無紡布;此外,3種無紡布與樹脂體系的黏附功低于相同溫度下與樹脂的黏附功;從黏附和擴(kuò)散理論角度來分析,只有樹脂與無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)樹脂中加入小分子固化劑后,樹脂體系中懸浮顆粒增多,導(dǎo)致樹脂連續(xù)相組分與無紡布表面活性基團(tuán)相互作用的比例降低,不利于樹脂與無紡布表面分子的相互接近,從而導(dǎo)致黏附性降低[10]。見圖5。
圖5 不同溫度下樹脂和樹脂體系與無紡布的黏附功
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,樹脂的黏度與表面張力均降低,樹脂與無紡布接觸角減小,黏附性增強(qiáng),有利于浸潤(rùn)及界面黏附;但溫度升高致使樹脂進(jìn)入低黏度區(qū)間后,繼續(xù)提高溫度對(duì)無紡布/樹脂的黏附作用效果不大。
良好的浸潤(rùn)使樹脂更易于在無紡布表面鋪展,保證分子間充分接觸,是良好界面形成和黏附的先決條件。在無紡布/樹脂浸潤(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);在熱固化過程中(固化反應(yīng)并未發(fā)生),隨著溫度的升高,樹脂的黏度、表面張力均降低,樹脂與無紡布接觸角降低、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。
復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)纖維通過界面發(fā)生結(jié)合,同時(shí)通過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。見表6。
表6 無紡布增強(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)際樹脂充填過程中,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無紡布與樹脂浸潤(rùn)和熱力學(xué)黏附功都優(yōu)于國(guó)產(chǎn)無紡布,說明界面粘接強(qiáng)度進(jìn)口C無紡布優(yōu)于國(guó)產(chǎn)無紡布;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)無紡布密度較進(jìn)口無紡布高,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,國(guó)產(chǎn)無紡布在浸潤(rùn)、固化方面的性能與國(guó)外無紡布相差不大。
研究結(jié)果表明:可通過進(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)無紡布的密度,以提高樹脂浸潤(rùn)量;或通過改性辦法[25~29],提高樹脂浸潤(rùn)速率。
1)3種無紡布孔隙率相差不大,提高絕對(duì)真空度可以加快無紡布與樹脂的浸潤(rùn)速率,有利于無紡布與樹脂的浸潤(rùn),促進(jìn)良好界面的形成;但較快的浸漬速率會(huì)減少樹脂浸潤(rùn)量,從而降低固化效果。
2)Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系與3種無紡布的黏附功,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),樹脂與無紡布的接觸角減小,有利于促進(jìn)樹脂與無紡布的二次浸潤(rùn),促進(jìn)良好界面的形成。
3)3種無紡布與Z455TV-901/TXC/PX16樹脂體系的潤(rùn)濕性優(yōu)于純Z455TV-901樹脂,但黏附性恰好相反;進(jìn)口無紡布表面能大于國(guó)產(chǎn)無紡布。因此,進(jìn)口無紡布與樹脂的浸潤(rùn)性和黏附性較好,但國(guó)產(chǎn)無紡布彎曲模量、彎曲強(qiáng)度固化性能要優(yōu)于進(jìn)口無紡布。