粘結劑修復FRP/PVC復合雨污分流管耐久性能研究

2025-04-16 00:00:00王娜

粘接 2025年2期

摘要：為提升管材的使用壽命，降低成本，使用環氧樹脂作為基礎材料混合二氧化硅等材料制備出修復用粘結劑，以破損的FRP/PVC復合雨污分流管道開展粘接試驗，分析不同二氧化硅用量下環氧樹脂粘結劑的拉伸強度與粘接強度，測試該粘結劑的耐腐蝕性能與耐水性能，最終確定不同破損面積下的粘結劑用量。試驗結果表明，二氧化硅用量為65%時，該粘結劑的拉伸強度與粘接強度最佳。經腐蝕液體浸泡后，該粘結劑仍舊具有良好粘接強度，耐腐蝕性能良好。經水體浸泡后，剪切強度變化較小，說明該粘結劑能夠耐水浸泡。即使在較大面積破損上使用該粘結劑，施膠量也較小，能夠節省管道的修復成本。

關鍵詞：粘結劑；FRP/PVC復合管；雨污分流管道；應用性能

中圖分類號：TQ433.4+37文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0016-04

Research on the durability of FRP/PVC composite rain and sewage diversion pipe repaired by adhesives

WANG Na

（Yantai Survey and Design Review Service Center Co.，Ltd.，Yantai 264000，Shandong China）

Abstract：To extend the service life of pipes and reduce costs，epoxy resin was used as the base material and mixed with materials such as silica to prepare a repair adhesive.Bonding tests were carried out on damaged FRP/PVC com-positerain and sewage diversion pipes.The tensile strength and bonding strength of the epoxy resin adhesive under different silica dosages were analyzed，and the corrosion-resistance and water-resistance of the adhesive were test-ed.Finally，the dosage of the adhesive for different damaged areas was determined.The test results showed that when the dosage of silica was 65%，the tensile strength and bonding strength of the adhesive were optimal.After be-ing immersed in the corrosive liquid，the adhesive still had good bonding strength and excellent corrosion-resis-tance.After being soaked in water，the change in shear strength was small，indicating that the adhesive can resist water immersion.Even when the adhesive was used on a large-area damaged pipe，the amount of adhesive applied was small，which can save the cost of pipe repair.

Key words：adhesive；FRP/PVC composite pipe；rain and sewage diversion pipe；application performance

FRP/PVC復合雨污分流管道是一種創新型的管道系統，這種管道設計旨在有效地進行雨水和污水的分流管理，以滿足現代城市排水系統的需求。FRP/PVC復合雨污分流管道廣泛應用于城市排水系統、工業園區、住宅小區、農田灌溉等領域。FRP/PVC復合管道在長期使用過程中，受到陽光、氧氣、水分等因素的影響，可能會出現老化現象。老化的管道強度和耐腐蝕性降低，容易受到外力或內部壓力的作用而破損；另一方面管道受到外部壓力，如地基沉降、車輛碾壓、重物撞擊等，可能導致管道破裂或變形?；诖耍芯窟x擇環氧樹脂粘結劑修復FRP/PVC復合雨污分流管道，并且通過試驗分析該粘結劑的修復效果。

1材料與方法

1.1材料與儀器設備

（1）材料。環氧樹脂基料（湖北隆盛四海新材料有限公司），淡黃色透明，耐高溫且防腐具有極高耐候性；端羧基液體丁晴橡膠（雞澤縣松翔化工有限公司），密度為5.1 g/cm3，黏度51 cps；三苯基膦（分析純，山東旭晨化工科技有限公司），催化劑；二氧化硅（西安沐森生物工程有限公司），白色粉末，表觀密度90 g/L，pH值6.5；稀釋劑（山東拜恩新材料有限公司），密度1.19 g/mL，閃點212℃，沸點196～225℃;硅烷偶聯劑（昆山升恒化學材料有限公司），閃點100℃，分解溫度25℃，密度1.08 g/cm3；固化劑（南京新義合成科技有限公司），沸點116℃，閃點41℃;乙酸乙酯（常州同享化工有限公司），清洗去油；丙酮（濟南澤寬化工有限公司），熔點-42.8℃，密度0.939 g/cm3；玻璃纖維布（甘肅安邁節能科技集團有限公司），導熱系數0.03 W/（m·K），抗壓強度67 MPa；輕質碳酸鈣（河北鵬宇生物科技有限公司），pH值7～10，含水量0.1%，含沙量0.001%；

（2）儀器設備。JJ1磁力攪拌機（河北慧采科技有限公司），功率40 W，40 mm磁條長度，環境溫度5～40℃;XUE032烘干箱（鹽城市嘉柯電熱科技有限公司），溫度0～500℃，熱風循環；WDW-20H萬能試驗機（山東華啟儀器有限公司），讀數精準度0.001，試驗力20 000 N，功率0.2 W，拉伸速度0.01～300 mm/min。

1.2 FRP/PVC復合雨污分流管道試件制備

選擇質量與規格均較高的PVC原料與FRP原料混合，制備出符合使用標準的FRP/PVC復合雨污分流管道。FRP是纖維增強塑料，制備管材過程中需要把該纖維均勻鋪在模具之內，使用樹脂浸潤這些纖維，待樹脂完全固化以后，獲得FRP纖維增強塑料層。使用加熱設備把PVC原料加熱軟化后，均勻倒在FRP纖維增強塑料層上，結合壓制設備將軟化后的PVC材料壓制成型，獲得PVC內襯。把完成制備的FRP/PVC復合雨污分流管材從模具中脫出，切割打磨備用。

研究粘結劑對于FRP/PVC復合雨污分流管材的修復效果，需要使用腐蝕溶液結合外力處理該管材，獲得能夠實現修復試驗的管材。

1.3修復用粘結劑的制備

環氧樹脂具有較為可觀的機械性能與界面粘接性，能夠滿足FRP/PVC復合雨污分流管道的修復需求。因此，研究制備環氧樹脂修復用粘結劑，以便實現FRP/PVC復合雨污分流管道修復。

（1）預處理。使用量杯衡量環氧樹脂基料的用量，為了把基料中的水分完全去除，把燒杯中的環氧樹脂置于烘干箱（設定為100℃）中處理1 h。完成脫水后，烘箱溫度設定為50℃，繼續在烘箱中保溫環氧樹脂2 h；

（2）制備預聚體。取一部分脫水后（80份數）的環氧樹脂與三苯基膦（1份數）和端羧基液體丁晴橡膠（20份數）混合，用磁力攪拌機攪拌0.5 h。充分混合后置于溫度為120℃的烘箱中干燥處理2 h。為實現環氧樹脂改性，向混合物之中添加二氧化硅粒子（用量根據試驗分析需求調整），使用磁力攪拌機攪拌1 h，混合均勻后已經具備一定黏度，經過攪拌后，二氧化硅能夠在混合物之中均勻分布。使用60℃烘箱對混合物烘干處理0.5 h；

（3）粘結劑制備。把預聚體與稀釋劑混合，磁力攪拌機攪拌0.5 h，確?；旌虾?，再將硅烷偶聯劑與固化劑倒入混合物之中，繼續使用磁力攪拌機攪拌0.5 h，待攪拌完成后，獲得FRP/PVC復合雨污分流管道修復用的粘結劑。

1.4粘結劑修復步驟及時間

（1）確定修復位置。使用制備的粘結劑修復FRP/PVC復合雨污分流管道之前，需要先明確FRP/PVC復合雨污分流管道上待修復的位置。使用顯色法把管道上肉眼不能看出的裂紋識別出來。在管道破損位置及周圍涂上煤油，如果存在裂紋，煤油就會迅速下滲，使用棉布擦拭管道表面，發生煤油下滲的位置就是破損位置；

（2）管道表面處理。使用去離子水和棉布先初步清除管道表面的塵土等污漬，利用紗布打磨管道破損區域，待破損周圍的材料完全粗化后分別使用乙酸乙酯和丙酮沖洗材料，完成沖洗后再使用去離子水去除這2種物質，使用棉布擦拭管道材料，保持試件干燥；

（3）管道修復。取一塊大小較為均勻的玻璃纖維布，使用硅烷偶聯劑處理后包覆在管道上較大的破洞位置，該玻璃纖維布具有較強的表面活性。在所制備的環氧樹脂中加入輕質碳酸鈣，使得粘結劑轉變成乳白色膩子狀粘結劑，把該粘結劑均勻涂在管道上陡坎區域和玻璃纖維布以及玻璃纖維布與管道接觸的邊界位置。每涂粘結劑纏繞一層玻璃纖維網布，一共包裹三層玻璃纖維布，涂覆三層所制備的環氧樹脂粘結劑。完成涂覆修復以后，在室溫環境中靜置固化1 d。

1.5修復性能測試

（1）拉伸強度測試。使用萬能試驗機測試修補后管道的拉伸強度，測試區域主要集中在管道上被修補的區域。試驗過程中以GB/T 2567—2008為參考標準。使用式（1）計算粘結劑修復區域的拉伸強度σ：

式中：F表示粘結劑出現拉伸失效時的極限拉伸力；w與h分別表示試驗材料的寬度和高度。

該試驗調整二氧化硅的用量（0%、2%、4%、6%、8%、10%質量分數），測試不同二氧化硅使用量對于所制備的修復用粘結劑的拉伸強度。

（2）粘接強度分析。繼續使用萬能試驗機測試不同二氧化硅含量下，所制備的粘結劑黏度與粘接強度的變化，分析過程中分別以GB/T 2794—1995和QB/T 2568—2002標準為依據，分析粘結劑的粘接性能。

（3）耐腐蝕性測試。試驗分析調整用量對于粘結劑各項強度影響。由于所使用的管道用于雨污分流，經常接觸腐蝕性液體，因此需要測試所制備的粘結劑，在腐蝕液體下的耐腐蝕性能變化。將所制備的粘結劑修復后的管道材料置于濃鹽酸液體中，分別腐蝕1、3、7、14、21、28 d，使用萬能試驗機測試經過不同時長腐蝕后，粘結劑的拉伸強度與粘接強度變化情況。

（4）耐水浸泡性能測試。制備的粘結劑修復FRP/PVC復合雨污分流管道以后要長期受到水體浸泡，因此要求粘接具有較強耐水性。將制備粘結劑修復后的管材浸泡在去離子水中，測試不同浸泡時長下，粘結劑剪切強度變化情況。測試過程中以GB/T 2567—2088為參考標準，剪切強度?計算如式（2）：

式中：ξ表示粘結劑最大拉伸力。

（5）施膠量測試。由于建筑施工領域中，FRP/PVC復合雨污分流管道使用量較大，所以粘結劑的使用成本也是修復過程中需要考慮的方面。使用尺子測量管道不同破損面積下的粘結劑施膠量。

2結果與分析

2.1拉伸強度測試

不同二氧化硅摻量下，粘結劑的拉伸強度與彈性模量變化情況如圖1所示。

由圖1可知，粘結劑中二氧化硅的用量和所制備粘結劑拉伸強度呈現出正比例關系，大量摻加二氧化硅能夠提高粘結劑的拉伸強度與彈性模量。當二氧化硅的用量超過6%以后，粘結劑的拉伸強度與彈性模量明顯降低。由此可以看出，二氧化硅的用量為6%時，能夠有效提升粘結劑的拉伸強度。

2.2粘接強度測試

分別記錄不同二氧化硅用量下，制備初期、固化24 h、固化72 h后，粘結劑的粘接強度變化，試驗結果如表1所示。

由表1可知，粘接時間越長，制備的粘結劑粘接強度越大，說明即使經過較長時間使用，所制備的粘結劑仍舊具有良好的粘接強度，使用壽命較長。同時二氧化硅作為粘結劑中的填料，隨著用料增加，粘結劑的粘接強度呈現出明顯的上升變化趨勢。但是二氧化硅用量為6%以后，各個時間段的粘結劑粘接強度上升趨勢減緩，數值變化較小，由此可以判斷，粘結劑中，二氧化硅用量為6%時，該粘結劑的粘接強度較理想。

2.3耐腐蝕測試

經過不同腐蝕性液體處理后，粘結劑拉伸強度與粘接強度變化情況如圖2所示。

由圖2可知，酸性液體腐蝕最初的2周，所制備的粘結劑拉伸強度與粘接強度均出現明顯降低，說明受到腐蝕液體影響，粘結劑的強度受到嚴重破壞。但是浸泡2周以上，粘結劑的各個強度降低趨勢逐漸和緩，沒有再出現較為嚴重的降低變化趨勢。說明制備的粘結劑能夠承受長時間腐蝕液體浸泡，使用壽命較長。

2.4耐水性能測試

粘結劑經過去離子水長時間浸泡后，剪切強度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，所制備的粘結劑受到水體浸泡，剪切強度出現緩慢降低的變化趨勢，且這種降低趨勢在浸泡之初較為明顯，但是浸泡時間增加，這種變化趨勢逐漸平緩，浸泡21 d以后，粘結劑的剪切強度幾乎不再發生變化。由此可以分析，粘結劑剛接觸水體浸泡時，發生反應，剪切強度出現小范圍降低；但是浸泡一段時間后，粘結劑逐漸適應這種環境，自身粘接性能充分發揮，因此剪切強度不會再發生下降變化。

2.5施膠量測試

測量FRP/PVC復合雨污分流管道不同破損面積下，使用所制備的粘結劑用量，測量結果如圖4所示。

由圖4可知，管道上的破損面積增加會導致施膠量上升，但是粘結劑的增加量變化較小，說明即使管道表面發生大面積破損，修復用粘結劑的用量仍舊較少，極大程度降低修復管道的成本。

3結語

使用環氧樹脂修復FRP/PVC復合雨污分流管道，并通過試驗測試修復后各項性能變化。研究結果顯示，通過使用環氧樹脂粘結劑，可以有效地將受損的管道部分與新的材料粘接在一起，恢復管道的完整性和功能性，經過實驗驗證，所選用的膠粘劑具有較高的粘接強度和耐久性，能夠承受管道運行過程中的各種應力和環境條件，耐腐蝕性與耐水性均較高，同時施膠量較少，能夠適應FRP/PVC復合雨污分流管道應用環境。

【參考文獻】

[1]呂瑞宏，楊佳怡，張昊宇，等.基于材料參數的管道防腐層粘接狀態識別研究[J].儀器儀表學報，2021，42（5）：243-252.

[2]賴少川，付雙梨，林元茂，等.環氧套筒管道補強修復材料的結構與性能[J].現代塑料加工應用，2021，33（3）：29-31.

[3]鄧濤，夏琪，邱鵬，等.常溫固化高強度碳纖維復合材料管道修補膠的研究[J].中國膠粘劑，2022，31（6）：33-37

[4]黃庭蔚，顏廷俊，王剛，等.粘接性玻纖增強柔性管承壓性能模擬及試驗驗證[J].工程塑料應用，2023，51（9）：116-122.

[5]劉勇，李正敏，修林冉，等.水封隧道內油氣管道補口材料的應用效果[J].腐蝕與防護，2021，42（9）：74-79.

[6]張治國，張丹丹.熱力管道裂紋高效修復工藝研究[J].材料保護，2021，54（5）：176-179.

[7]陳雪文，周曼，朱曉嬋.納米材料在水體治理和土壤修復中的應用分析[J].粘接，2021，47（7）：75-79.

[8]吳志俊，林宇，鄭志會，等.腐蝕程度對混凝土排水管道CIPP修復前后力學性能影響分析[J].給水排水，2022，58（S1）：1004-1009.

[9]高多龍，葛鵬麗，高亮，等.耐熱聚烯烴管內襯修復臨界缺陷尺寸研究[J].材料保護，2021，54（2）：148-151.

[10]劉勇，李正敏，修林冉，等.水封隧道內油氣管道補口材料的應用效果[J].腐蝕與防護，2021，42（9）：74-79.

[11]薛雪雪，周洪芝，羅仕剛，等.不中斷交通條件下的板梁橋鉸縫修復系統用膠粘劑的性能研究[J].粘接，2022，49（2）：181-184.