纤维增强材料在城市给排水管道修复中的应用

王浩, 杨宇轩, 曾旭明, 朱盛延, 王子南

(1. 福州大学紫金地质与矿业学院, 福州 350108; 2. 华东勘测设计院(福建)有限公司, 福州 350003)

城市给排水管道作为输、导、排各类水资源的重要基础设施,其运行状况直接影响居民生活与城市环境,被认为是现代城市的“动脉”[1]。据统计,中国有超过26.8%的排水管道是在2000年之后建造的,总长度约14.2万km,其中一些已经接近设计寿命[2-3]。此外,由于疏于运维修复,许多管道在投入使用20～30年后就出现不同程度的损坏和变形[4]。2021年郑州遭遇特大暴雨,由其引发的严重城市内涝和次生灾害对现有城市给排水管道系统提出了重大挑战,城市给排水管道修复整治势在必行。

目前,城市给排水管道修复技术已由传统开挖修复逐步向非开挖修复转型,金属焊补材料、硅酸盐水泥喷涂材料、纯塑料内衬管等传统管道修复材料已不能适应各类修复新技术的要求,且对现有管道结构的加固效果一般[5]。随着纤维材料在建筑结构领域的兴起,高性能纤维增强材料也从众多管道修复材料中脱颖而出,逐步得到推广应用。石油化工行业率先于1980年代将纤维材料引入压力管道,依靠纤维增强材料的高性能实现了不停输修复[6]。市政给排水行业借鉴油气管道纤维修复技术,在1990年代开始将纤维增强材料用于给排水管道修复,并衍生出许多纤维材料与修复技术的新组合、新工艺[5]。目前,各类新型纤维材料不断涌现,但纤维增强材料在给排水管道修复中的应用形式和力学机理研究仍比较模糊,针对纤维增强材料的管道修复效果评价体系尚不完善。因此,有必要对纤维增强管道修复材料的应用进行深入研究,厘清管道纤维增强的力学机理。

基于中外研究应用现状,现综合分析给排水管道修复用纤维增强材料的基本性能、应用形式及修复效果评价方法,以期为纤维增强材料的应用推广及其修复机理研究提供参考,进而提升给排水管道修复效果和效率,保障城市给排水管道系统健康运行。

1 纤维增强管道修复材料的特点与优势

1.1 纤维增强材料组成及成型工艺

纤维增强复合材料(fiber reinforced ploymer, FRP)由纤维材料和聚合物基体两部分组成(图1)。目前,用于给排水管道修复的纤维增强材料以碳纤维(carbon fiber reinforced ploymer, CFRP)、玻璃纤维(glass fiber reinforced ploymer, GFRP)和芳纶纤维(aramid fiber reinforced ploymer, AFRP)为主,如图2所示,聚合物基体通常是环氧树脂、乙烯基酯树脂和聚酯树脂等热固性树脂[7]。纤维增强材料作为分散相,起着传递荷载、增强复合材料的作用;树脂基体作为连续相,充当黏合剂的角色,固定纤维并将荷载转移至纤维上。

图1 纤维增强复合材料组成[8]

图2 给排水管道常用的3种纤维[8]

纤维增强复合材料成型工艺由传统手糊工艺向技术密集、自动化方向发展,成型技术已有20多种[9],目前用于管道领域的主要包括纤维缠绕、拉挤、离心等成型工艺(图3)。随着纤维增强材料在管道修复领域的应用拓展,新工艺及各种工艺的组合不断涌现,但具体的成型工艺应根据使用要求和适用领域进行选择(表1)。

表1 成型工艺适用范围[11-13]

图3 纤维增强复合材料典型成型工艺[9-10]

1.2 纤维增强管道修复材料的基本性能

以碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维为代表的纤维增强管道修复材料与传统管道修复材料相比具有比强度高、力学性能优异、抗化学腐蚀性强和耐疲劳性能优异等优势[14-17]。表2给出3种纤维增强材料的具体性能参数,通过数据对比可以进一步体现出纤维增强材料在管道修复中的优越性。

碳纤维增强修复材料可以显著提高管道结构的力学性能。对比钢材,碳纤维材料的拉伸强度是其7～10倍,且具有更优异的抗疲劳性能,而密度只有其25%左右。在达到相同强度的前提下,碳纤维材料的成本明显低于传统修复材料[20]。卢亦焱等[21]对14组混凝土管道试件外黏碳纤维布加固性能进行研究,发现碳纤维增强后管道极限承载力和延展性得到了显著提高,二次受力后的开裂荷载也有所降低。

玻璃纤维具有优异的力学性能和抗腐蚀性能,是常用且经济的管道修复材料[22]。玻璃纤维增强材料既能承受拉应力,又可承受弯曲、压缩和剪切应力,由于其强度与钢材相当,且具有玻璃材质的优异性能,故国内又称其为“玻璃钢”。此外,玻璃纤维增强材料具有良好的化学抗性,可在酸、碱环境下抵抗腐蚀,且成本相对其他增强纤维材料较低,因此广泛用于城市排水管道系统[23]。

芳纶纤维是一种高性能的有机高分子纤维。芳纶纤维重量轻,具有良好的力学性能,抗拉强度达3 200 MPa,断裂延伸率仅为3.8%[24]。因此可用作增强材料,独立于管道内部并承担管道的工作压力[25]。芳纶纤维还具备极佳的耐高温与耐化学性,分解温度高达500 ℃,并可以抵抗甲烷和乙醇等有机物的侵蚀,故广泛用于油气管道输送[26]。

2 纤维增强材料在给排水管道修复中的应用

2.1 纤维增强管道喷涂材料

纤维增强管道喷涂材料是在树脂、水泥等胶凝材料中添加纤维增强材料形成的高性能管道喷涂加固层。目前主要有纤维-砂浆和纤维-树脂的增强组合。

纤维材料与传统砂浆组合形成的纤维增强砂浆喷涂材料具有比传统水泥砂浆更优异的力学性能和耐久性能。传统硅酸盐水泥砂浆具有脆性,易在材料收缩和外加荷载影响下产生裂缝,进而引发破裂、变形、结垢等管道缺陷问题[27]。因此多用于腐蚀控制、抗渗补漏等管道非结构性修复。研究表明[28],添加纤维增强材料可提高水泥砂浆的抗冲击性能,通过抗压、劈裂及抗弯强度测试,发现随着纤维含量增加,砂浆试块的抗压强度降低而劈裂和抗弯强度提高,提升幅度在20%～60%。

纤维-水泥结合基质的内聚和黏附特性还有助于通过黏结界面将应力从基质转移到纤维上,从而桥接、限制裂缝(图4),提升复合砂浆的韧性、耐久性和抗渗性[29]。因此,纤维增强后的水泥砂浆喷涂材料既可以用于管道非结构性修复,也可以用于增强和加固管道,提升其结构性能。Selvakumar等[30]记录了一例使用纤维增强地聚物砂浆“GeoSprayTM”喷涂修复排水管道的案例(图5),对纤维增强砂浆的抗压强度、抗弯强度和弹性模量进行测试,结果均高于美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)的要求值;通过闭路电视检测技术(closed circuit television, CCTV)进行的修复效果检测表明,管道功能性良好,无渗漏、裂缝或钢筋露出的现象。

图4 纤维增强材料桥接裂缝[29]

图5 使用纤维增强地聚物砂浆“GeoSprayTM”修复排水管道[30]

近年来,中外开展了纤维增强树脂复合材料用于管道喷涂修复的研究应用。Azimi等[31]将碳纤维引入聚氨酯树脂,开发出一种增强型树脂喷涂材料;对喷涂修复管道试件进行拉伸、抗弯和硬度测试,结果表明:试件拉伸强度和最大弯曲应力分别提高26.8%和56.1%,随着碳纤维层数的增加,试件硬度略有降低但强度进一步提升。纤维增强树脂喷涂材料可在大幅提升管道结构性能的同时,将内衬厚度控制在较小范围内。但因成本较高,且作为喷涂材料性能过剩,故在实际应用中主要以环氧树脂、聚脲、聚氨酯等非增强树脂为主。

2.2 纤维增强内衬管

近年来,由纤维增强材料制成的内衬管被引入原位固化法(cured-in-place pipe, CIPP)等半结构性管道修复技术,大幅提升了非开挖修复技术的修复效果。内衬管的设计制作是CIPP技术的核心,由于CIPP是半结构性修复方法,其内衬管既依赖于原有管道的结构,又需要在设计寿命内承受一部分荷载,因此内衬材质需要满足轻质高强的要求[32]。纤维增强材料的掺入,使内衬管的力学性能得到大幅增强,在保持结构效果的同时又减少了内衬厚度,有利于恢复原有管道过流面积。

Akinci等[33]通过试验比较玻璃纤维增强CIPP内衬与传统针毡内衬的力学性能,结果表明玻璃纤维增强内衬的弯曲性能明显优于后者。Ji等[32]使用玻璃纤维以不同组合制作新型复合CIPP内衬,并通过短期和长期抗弯试验对内衬管结构特性进行比较分析,结果表明:当使用玻璃纤维增强材料和不饱和聚酯树脂的组合时,复合内衬管的弯曲强度比ASTM要求的最低标准高出13.3倍,弯曲模量高8倍;与北美非开挖技术协会(North American Society for Trenchless Technology, NASTT)建议的通用CIPP内衬相比,弯曲强度高出6.2倍,弯曲模量高3.6倍。此外,相关案例研究发现[34-35],纤维增强CIPP内衬可用于修复直径2 000 mm以上的大型排水管道,克服了传统CIPP技术对管道尺寸的限制,且修复后管内流速和流量得到明显改善。

目前,中外开发了许多新型纤维增强内衬管产品。美国INSITUFORM、美国OWENS CORNING、德国RELINE等众多公司[36-37]通过不同新材料与新工艺的结合,开发出一系列新型纤维增强内衬管,其中许多产品已申请商标注册并广泛用于工程实践中。江苏ASOE公司开发出一种三层一体式纤维增强塑料内衬管产品“PIPE-IN LINER®”(图6),该产品充分发挥了纤维增强材料的性能优势,兼具力学承载性与结构灵活性,目前已在北京、江苏等地区应用,并取得良好的修复成效[38-39]。

图6 “PIPE-IN LINER®”纤维增强内衬管[36]

2.3 刚性管道纤维加固

刚性管道纤维加固是在管道外部或内部黏合纤维增强材料以实现增强加固、改善管道受力性能的刚性管道修复方法。工程中常用于普通混凝土管道或预应力钢筒混凝土管(prestressed concrete cylinder pipe, PCCP)的纤维加固。

随着纤维增强材料在土木工程领域的兴起,混凝土管道的纤维加固技术逐步得到关注与应用。武汉大学于2002年最早在国内开展混凝土管道纤维加固的应用研究,通过27个混凝土管道模型试验与有限元计算及3例实际工程应用,在纤维增强材料加固混凝土管道的力学机理、修复设计方法、施工工艺和新材料研发等方面取得重大突破[40]。近年来,有学者开展了纤维增强混凝土管抗震性能的试验研究[41-42],结果表明:震损混凝土管纤维加固后能够满足受震前的正常使用要求,并且力学性能有所提高。

纤维增强材料在PCCP的增强加固方面也得到了广泛应用[43]。20世纪90年代后期,碳纤维增强材料开始用于修复PCCP,实践表明增强后的PCCP破裂、坍塌和腐蚀概率明显降低[44]。2000年初,纤维增强技术开始在美国流行,许多市政单位广泛使用CFRP修复和加固PCCP,并在工程应用中总结了接头设计优化、材料制作工艺、施工质量控制等宝贵经验[45-46]。美国自来水厂协会(American Water Works Association, AWWA)于2011年开始起草纤维增强加固PCCP技术的相关行业规范,在2018年发布了一项名为“AWWA C305-18 CFRP更新和加强预应力钢筒混凝土管(PCCP)”的行业标准[47]。目前,碳纤维增强加固技术已广泛用于长距离、大直径输调水管道修复[48](图7)。

图7 纤维增强材料在PCCP修复中的应用

3 纤维增强材料修复效果评价

3.1 试验测试

3.1.1 纤维增强材料性能试验

纤维增强材料性能试验包括力学、老化性、耐化学性等试验。力学性能是选择管道修复纤维材料的首要依据,包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、环刚度等参数。需要注意的是,由于纤维编织工艺的不同,与传统修复材料相比,纤维增强材料的力学性能具有明显的各向异性[51],故应对纤维材料的不同方向、不同角度进行多组力学测试。目前,国内已有多部针对纤维增强材料试验测试方法的规范,如表3所示,具体试样尺寸、试验设备、试验条件、试验步骤及结果计算等应对照相应规范进行。

3.1.2 管道修复模型试验

管道修复模型试验即采用等尺寸或小尺寸模型,通过内外部加压等手段模拟实际管道修复前后的状态。管道修复模型试验的试验目的主要可归纳为2种:①探究纤维修复材料的修复效果及增强加固机理;②探究纤维修复材料-管道间的断裂失效机理。具体试验方法和实验内容应侧重于纤维材料在管道修复全过程中的力学行为,且尽可能贴合实际。

翟科杰等[50]采用外贴碳纤维布对直径2.8 m的断丝PCCP进行足尺修复模型试验,并对修复前后PCCP结构应变响应进行对比分析,结果表明:修复后断丝区中间截面材料应变减少,说明碳纤维布在修复中发挥类似“箍筋”的作用,有利于提高PCCP抗压性能。Al等[53]对3组不同直径的纤维增强混凝土管道模型进行三边承载试验,通过观察管道结构变形特征和裂缝形态(图8),发现管道失效模式主要为弯曲失效;通过调整纤维配比还发现,不同管径管道的最佳纤维用量不同。

图8 管道修复模型的裂缝发展[53]

3.2 数值模拟

数值模拟方法可考虑不同工况、不同管道几何形状、纤维材料非线性特性和管道-修复材料相互作用等复杂情况,从而得到更全面的评估结果[23]。Zhao等[54]提出管道修复数值模型的建立应考虑3个关键问题:①本构模型和力学参数的选择,②纤维修复材料与管道间界面黏合功能的设置,③既有管道损坏情况的模拟;并基于此思路采用混凝土损伤塑性模型和黏性单元,对纤维增强砂浆喷涂修复的混凝土管进行ABAQUS分步模拟(图9),结果表明:修复后管道结构的承载力与界面结合状况呈正相关,界面的抗拉强度、抗剪强度和断裂能等基本性能控制着损伤层与修复层的协调变形能力,进而影响修复后管道结构的力学性能。

图9 受损管道及其ABAQUS模型[54]

此外,将数值模拟结果与试验测试结果、力学模型解析解进行比较分析,能够从不同角度验证结果的合理性[55-56],为纤维修复材料-管道间力学机理的研究提供理论和数据支持,进而优化管道修复设计方案、提升管道修复效果和效率。

3.3 现场调查评估

在实际工程中,管道修复完毕还应在现场进行调查评价与质量验收。国内已有《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)、《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》(CJJ/T 210—2014)、《城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程》(CJJ/T 244—2016)等规范对此进行要求,具体可总结为功能性检测和结构性检测,如表4所示。

表4 管道修复现场调查评估项目[57-59]

多样化的管道现场检测技术为管道修复效果的准确评价提供了技术支持。目前,管道现场检测技术逐渐由传统人工下井调查向可视化、智能化发展,主要包括闭路电视检测技术(closed circuit television, CCTV)、管道潜望镜技术(quick view, QV)、声呐法、机器人检测法等[60-61]。以CCTV、QV为代表的可视化检测方法可对管道内部进行直观成像,但使用前需要进行导水、冲洗等,使用条件较苛刻;声呐可在复杂环境下完成对管道进行无损检测,但数据存在噪音[62];机器人技术可以搭载内窥镜、传感器、声呐等检测仪器,以轮或履带等方式进入管道内部,具有安全、高效的特点[63]。

4 结论

从材料性能、应用形式及修复效果评价3个方面对纤维增强材料在城市给排水管道修复中的应用进行综合分析与研究,主要得到以下结论。

(1)以碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维为代表的纤维增强管道修复材料与传统管道修复材料相比具有比强度高、力学性能好、抗化学腐蚀性强和耐疲劳性能优异等优势。

(2)纤维增强材料在给排水管道修复中的应用主要有纤维增强管道喷涂材料、纤维增强内衬管、刚性管道纤维加固3种形式。纤维增强后的管道修复材料可以大幅改善管道结构性能,提升管道修复效果。

(3)纤维增强材料修复效果评价应从试验测试、数值模拟和现场调查评估等多方面展开研究。将试验测试结果与数值模拟结果进行对比分析,有助于从不同角度深化管道纤维修复的力学机理。

为加强纤维增强材料在城市给排水管道修复领域的推广应用,未来可以进一步开展天然纤维、混合纤维等新材料的开发利用,加强纤维增强材料与管道结构间界面黏结性能的研究,以及重视纤维增强材料对管内水质及周围环境的影响评价。