纖維增強材料在城市給排水管道修復中的應用

王浩, 楊宇軒, 曾旭明, 朱盛延, 王子南

(1. 福州大學紫金地質與礦業學院, 福州 350108; 2. 華東勘測設計院(福建)有限公司, 福州 350003)

城市給排水管道作為輸、導、排各類水資源的重要基礎設施,其運行狀況直接影響居民生活與城市環境,被認為是現代城市的“動脈”[1]。據統計,中國有超過26.8%的排水管道是在2000年之后建造的,總長度約14.2萬km,其中一些已經接近設計壽命[2-3]。此外,由于疏于運維修復,許多管道在投入使用20～30年后就出現不同程度的損壞和變形[4]。2021年鄭州遭遇特大暴雨,由其引發的嚴重城市內澇和次生災害對現有城市給排水管道系統提出了重大挑戰,城市給排水管道修復整治勢在必行。

目前,城市給排水管道修復技術已由傳統開挖修復逐步向非開挖修復轉型,金屬焊補材料、硅酸鹽水泥噴涂材料、純塑料內襯管等傳統管道修復材料已不能適應各類修復新技術的要求,且對現有管道結構的加固效果一般[5]。隨著纖維材料在建筑結構領域的興起,高性能纖維增強材料也從眾多管道修復材料中脫穎而出,逐步得到推廣應用。石油化工行業率先于1980年代將纖維材料引入壓力管道,依靠纖維增強材料的高性能實現了不停輸修復[6]。市政給排水行業借鑒油氣管道纖維修復技術,在1990年代開始將纖維增強材料用于給排水管道修復,并衍生出許多纖維材料與修復技術的新組合、新工藝[5]。目前,各類新型纖維材料不斷涌現,但纖維增強材料在給排水管道修復中的應用形式和力學機理研究仍比較模糊,針對纖維增強材料的管道修復效果評價體系尚不完善。因此,有必要對纖維增強管道修復材料的應用進行深入研究,厘清管道纖維增強的力學機理。

基于中外研究應用現狀,現綜合分析給排水管道修復用纖維增強材料的基本性能、應用形式及修復效果評價方法,以期為纖維增強材料的應用推廣及其修復機理研究提供參考,進而提升給排水管道修復效果和效率,保障城市給排水管道系統健康運行。

1 纖維增強管道修復材料的特點與優勢

1.1 纖維增強材料組成及成型工藝

纖維增強復合材料(fiber reinforced ploymer, FRP)由纖維材料和聚合物基體兩部分組成(圖1)。目前,用于給排水管道修復的纖維增強材料以碳纖維(carbon fiber reinforced ploymer, CFRP)、玻璃纖維(glass fiber reinforced ploymer, GFRP)和芳綸纖維(aramid fiber reinforced ploymer, AFRP)為主,如圖2所示,聚合物基體通常是環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和聚酯樹脂等熱固性樹脂[7]。纖維增強材料作為分散相,起著傳遞荷載、增強復合材料的作用;樹脂基體作為連續相,充當黏合劑的角色,固定纖維并將荷載轉移至纖維上。

圖1 纖維增強復合材料組成[8]

圖2 給排水管道常用的3種纖維[8]

纖維增強復合材料成型工藝由傳統手糊工藝向技術密集、自動化方向發展,成型技術已有20多種[9],目前用于管道領域的主要包括纖維纏繞、拉擠、離心等成型工藝(圖3)。隨著纖維增強材料在管道修復領域的應用拓展,新工藝及各種工藝的組合不斷涌現,但具體的成型工藝應根據使用要求和適用領域進行選擇(表1)。

表1 成型工藝適用范圍[11-13]

圖3 纖維增強復合材料典型成型工藝[9-10]

1.2 纖維增強管道修復材料的基本性能

以碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為代表的纖維增強管道修復材料與傳統管道修復材料相比具有比強度高、力學性能優異、抗化學腐蝕性強和耐疲勞性能優異等優勢[14-17]。表2給出3種纖維增強材料的具體性能參數,通過數據對比可以進一步體現出纖維增強材料在管道修復中的優越性。

碳纖維增強修復材料可以顯著提高管道結構的力學性能。對比鋼材,碳纖維材料的拉伸強度是其7～10倍,且具有更優異的抗疲勞性能,而密度只有其25%左右。在達到相同強度的前提下,碳纖維材料的成本明顯低于傳統修復材料[20]。盧亦焱等[21]對14組混凝土管道試件外黏碳纖維布加固性能進行研究,發現碳纖維增強后管道極限承載力和延展性得到了顯著提高,二次受力后的開裂荷載也有所降低。

玻璃纖維具有優異的力學性能和抗腐蝕性能,是常用且經濟的管道修復材料[22]。玻璃纖維增強材料既能承受拉應力,又可承受彎曲、壓縮和剪切應力,由于其強度與鋼材相當,且具有玻璃材質的優異性能,故國內又稱其為“玻璃鋼”。此外,玻璃纖維增強材料具有良好的化學抗性,可在酸、堿環境下抵抗腐蝕,且成本相對其他增強纖維材料較低,因此廣泛用于城市排水管道系統[23]。

芳綸纖維是一種高性能的有機高分子纖維。芳綸纖維重量輕,具有良好的力學性能,抗拉強度達3 200 MPa,斷裂延伸率僅為3.8%[24]。因此可用作增強材料,獨立于管道內部并承擔管道的工作壓力[25]。芳綸纖維還具備極佳的耐高溫與耐化學性,分解溫度高達500 ℃,并可以抵抗甲烷和乙醇等有機物的侵蝕,故廣泛用于油氣管道輸送[26]。

2 纖維增強材料在給排水管道修復中的應用

2.1 纖維增強管道噴涂材料

纖維增強管道噴涂材料是在樹脂、水泥等膠凝材料中添加纖維增強材料形成的高性能管道噴涂加固層。目前主要有纖維-砂漿和纖維-樹脂的增強組合。

纖維材料與傳統砂漿組合形成的纖維增強砂漿噴涂材料具有比傳統水泥砂漿更優異的力學性能和耐久性能。傳統硅酸鹽水泥砂漿具有脆性,易在材料收縮和外加荷載影響下產生裂縫,進而引發破裂、變形、結垢等管道缺陷問題[27]。因此多用于腐蝕控制、抗滲補漏等管道非結構性修復。研究表明[28],添加纖維增強材料可提高水泥砂漿的抗沖擊性能,通過抗壓、劈裂及抗彎強度測試,發現隨著纖維含量增加,砂漿試塊的抗壓強度降低而劈裂和抗彎強度提高,提升幅度在20%～60%。

纖維-水泥結合基質的內聚和黏附特性還有助于通過黏結界面將應力從基質轉移到纖維上,從而橋接、限制裂縫(圖4),提升復合砂漿的韌性、耐久性和抗滲性[29]。因此,纖維增強后的水泥砂漿噴涂材料既可以用于管道非結構性修復,也可以用于增強和加固管道,提升其結構性能。Selvakumar等[30]記錄了一例使用纖維增強地聚物砂漿“GeoSprayTM”噴涂修復排水管道的案例(圖5),對纖維增強砂漿的抗壓強度、抗彎強度和彈性模量進行測試,結果均高于美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)的要求值;通過閉路電視檢測技術(closed circuit television, CCTV)進行的修復效果檢測表明,管道功能性良好,無滲漏、裂縫或鋼筋露出的現象。

圖4 纖維增強材料橋接裂縫[29]

圖5 使用纖維增強地聚物砂漿“GeoSprayTM”修復排水管道[30]

近年來,中外開展了纖維增強樹脂復合材料用于管道噴涂修復的研究應用。Azimi等[31]將碳纖維引入聚氨酯樹脂,開發出一種增強型樹脂噴涂材料;對噴涂修復管道試件進行拉伸、抗彎和硬度測試,結果表明:試件拉伸強度和最大彎曲應力分別提高26.8%和56.1%,隨著碳纖維層數的增加,試件硬度略有降低但強度進一步提升。纖維增強樹脂噴涂材料可在大幅提升管道結構性能的同時,將內襯厚度控制在較小范圍內。但因成本較高,且作為噴涂材料性能過剩,故在實際應用中主要以環氧樹脂、聚脲、聚氨酯等非增強樹脂為主。

2.2 纖維增強內襯管

近年來,由纖維增強材料制成的內襯管被引入原位固化法(cured-in-place pipe, CIPP)等半結構性管道修復技術,大幅提升了非開挖修復技術的修復效果。內襯管的設計制作是CIPP技術的核心,由于CIPP是半結構性修復方法,其內襯管既依賴于原有管道的結構,又需要在設計壽命內承受一部分荷載,因此內襯材質需要滿足輕質高強的要求[32]。纖維增強材料的摻入,使內襯管的力學性能得到大幅增強,在保持結構效果的同時又減少了內襯厚度,有利于恢復原有管道過流面積。

Akinci等[33]通過試驗比較玻璃纖維增強CIPP內襯與傳統針氈內襯的力學性能,結果表明玻璃纖維增強內襯的彎曲性能明顯優于后者。Ji等[32]使用玻璃纖維以不同組合制作新型復合CIPP內襯,并通過短期和長期抗彎試驗對內襯管結構特性進行比較分析,結果表明:當使用玻璃纖維增強材料和不飽和聚酯樹脂的組合時,復合內襯管的彎曲強度比ASTM要求的最低標準高出13.3倍,彎曲模量高8倍;與北美非開挖技術協會(North American Society for Trenchless Technology, NASTT)建議的通用CIPP內襯相比,彎曲強度高出6.2倍,彎曲模量高3.6倍。此外,相關案例研究發現[34-35],纖維增強CIPP內襯可用于修復直徑2 000 mm以上的大型排水管道,克服了傳統CIPP技術對管道尺寸的限制,且修復后管內流速和流量得到明顯改善。

目前,中外開發了許多新型纖維增強內襯管產品。美國INSITUFORM、美國OWENS CORNING、德國RELINE等眾多公司[36-37]通過不同新材料與新工藝的結合,開發出一系列新型纖維增強內襯管,其中許多產品已申請商標注冊并廣泛用于工程實踐中。江蘇ASOE公司開發出一種三層一體式纖維增強塑料內襯管產品“PIPE-IN LINER?”(圖6),該產品充分發揮了纖維增強材料的性能優勢,兼具力學承載性與結構靈活性,目前已在北京、江蘇等地區應用,并取得良好的修復成效[38-39]。

圖6 “PIPE-IN LINER?”纖維增強內襯管[36]

2.3 剛性管道纖維加固

剛性管道纖維加固是在管道外部或內部黏合纖維增強材料以實現增強加固、改善管道受力性能的剛性管道修復方法。工程中常用于普通混凝土管道或預應力鋼筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe, PCCP)的纖維加固。

隨著纖維增強材料在土木工程領域的興起,混凝土管道的纖維加固技術逐步得到關注與應用。武漢大學于2002年最早在國內開展混凝土管道纖維加固的應用研究,通過27個混凝土管道模型試驗與有限元計算及3例實際工程應用,在纖維增強材料加固混凝土管道的力學機理、修復設計方法、施工工藝和新材料研發等方面取得重大突破[40]。近年來,有學者開展了纖維增強混凝土管抗震性能的試驗研究[41-42],結果表明:震損混凝土管纖維加固后能夠滿足受震前的正常使用要求,并且力學性能有所提高。

纖維增強材料在PCCP的增強加固方面也得到了廣泛應用[43]。20世紀90年代后期,碳纖維增強材料開始用于修復PCCP,實踐表明增強后的PCCP破裂、坍塌和腐蝕概率明顯降低[44]。2000年初,纖維增強技術開始在美國流行,許多市政單位廣泛使用CFRP修復和加固PCCP,并在工程應用中總結了接頭設計優化、材料制作工藝、施工質量控制等寶貴經驗[45-46]。美國自來水廠協會(American Water Works Association, AWWA)于2011年開始起草纖維增強加固PCCP技術的相關行業規范,在2018年發布了一項名為“AWWA C305-18 CFRP更新和加強預應力鋼筒混凝土管(PCCP)”的行業標準[47]。目前,碳纖維增強加固技術已廣泛用于長距離、大直徑輸調水管道修復[48](圖7)。

圖7 纖維增強材料在PCCP修復中的應用

3 纖維增強材料修復效果評價

3.1 試驗測試

3.1.1 纖維增強材料性能試驗

纖維增強材料性能試驗包括力學、老化性、耐化學性等試驗。力學性能是選擇管道修復纖維材料的首要依據,包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、環剛度等參數。需要注意的是,由于纖維編織工藝的不同,與傳統修復材料相比,纖維增強材料的力學性能具有明顯的各向異性[51],故應對纖維材料的不同方向、不同角度進行多組力學測試。目前,國內已有多部針對纖維增強材料試驗測試方法的規范,如表3所示,具體試樣尺寸、試驗設備、試驗條件、試驗步驟及結果計算等應對照相應規范進行。

3.1.2 管道修復模型試驗

管道修復模型試驗即采用等尺寸或小尺寸模型,通過內外部加壓等手段模擬實際管道修復前后的狀態。管道修復模型試驗的試驗目的主要可歸納為2種:①探究纖維修復材料的修復效果及增強加固機理;②探究纖維修復材料-管道間的斷裂失效機理。具體試驗方法和實驗內容應側重于纖維材料在管道修復全過程中的力學行為,且盡可能貼合實際。

翟科杰等[50]采用外貼碳纖維布對直徑2.8 m的斷絲PCCP進行足尺修復模型試驗,并對修復前后PCCP結構應變響應進行對比分析,結果表明:修復后斷絲區中間截面材料應變減少,說明碳纖維布在修復中發揮類似“箍筋”的作用,有利于提高PCCP抗壓性能。Al等[53]對3組不同直徑的纖維增強混凝土管道模型進行三邊承載試驗,通過觀察管道結構變形特征和裂縫形態(圖8),發現管道失效模式主要為彎曲失效;通過調整纖維配比還發現,不同管徑管道的最佳纖維用量不同。

圖8 管道修復模型的裂縫發展[53]

3.2 數值模擬

數值模擬方法可考慮不同工況、不同管道幾何形狀、纖維材料非線性特性和管道-修復材料相互作用等復雜情況,從而得到更全面的評估結果[23]。Zhao等[54]提出管道修復數值模型的建立應考慮3個關鍵問題:①本構模型和力學參數的選擇,②纖維修復材料與管道間界面黏合功能的設置,③既有管道損壞情況的模擬;并基于此思路采用混凝土損傷塑性模型和黏性單元,對纖維增強砂漿噴涂修復的混凝土管進行ABAQUS分步模擬(圖9),結果表明:修復后管道結構的承載力與界面結合狀況呈正相關,界面的抗拉強度、抗剪強度和斷裂能等基本性能控制著損傷層與修復層的協調變形能力,進而影響修復后管道結構的力學性能。

圖9 受損管道及其ABAQUS模型[54]

此外,將數值模擬結果與試驗測試結果、力學模型解析解進行比較分析,能夠從不同角度驗證結果的合理性[55-56],為纖維修復材料-管道間力學機理的研究提供理論和數據支持,進而優化管道修復設計方案、提升管道修復效果和效率。

3.3 現場調查評估

在實際工程中,管道修復完畢還應在現場進行調查評價與質量驗收。國內已有《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB 50268—2008)、《城鎮排水管道非開挖修復更新工程技術規程》(CJJ/T 210—2014)、《城鎮給水管道非開挖修復更新工程技術規程》(CJJ/T 244—2016)等規范對此進行要求,具體可總結為功能性檢測和結構性檢測,如表4所示。

表4 管道修復現場調查評估項目[57-59]

多樣化的管道現場檢測技術為管道修復效果的準確評價提供了技術支持。目前,管道現場檢測技術逐漸由傳統人工下井調查向可視化、智能化發展,主要包括閉路電視檢測技術(closed circuit television, CCTV)、管道潛望鏡技術(quick view, QV)、聲吶法、機器人檢測法等[60-61]。以CCTV、QV為代表的可視化檢測方法可對管道內部進行直觀成像,但使用前需要進行導水、沖洗等,使用條件較苛刻;聲吶可在復雜環境下完成對管道進行無損檢測,但數據存在噪音[62];機器人技術可以搭載內窺鏡、傳感器、聲吶等檢測儀器,以輪或履帶等方式進入管道內部,具有安全、高效的特點[63]。

4 結論

從材料性能、應用形式及修復效果評價3個方面對纖維增強材料在城市給排水管道修復中的應用進行綜合分析與研究,主要得到以下結論。

(1)以碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維為代表的纖維增強管道修復材料與傳統管道修復材料相比具有比強度高、力學性能好、抗化學腐蝕性強和耐疲勞性能優異等優勢。

(2)纖維增強材料在給排水管道修復中的應用主要有纖維增強管道噴涂材料、纖維增強內襯管、剛性管道纖維加固3種形式。纖維增強后的管道修復材料可以大幅改善管道結構性能,提升管道修復效果。

(3)纖維增強材料修復效果評價應從試驗測試、數值模擬和現場調查評估等多方面展開研究。將試驗測試結果與數值模擬結果進行對比分析,有助于從不同角度深化管道纖維修復的力學機理。

為加強纖維增強材料在城市給排水管道修復領域的推廣應用,未來可以進一步開展天然纖維、混合纖維等新材料的開發利用,加強纖維增強材料與管道結構間界面黏結性能的研究,以及重視纖維增強材料對管內水質及周圍環境的影響評價。