噴涂紫外光固化樹脂在排水管道修復中的應用研究

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.北京北排建設有限公司環境技術分公司 100071

3.北京政平建設集團有限公司 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施所組成的系統。隨著經濟建設的發展，城市規模不斷擴大，工業不斷發展，居民生活排水及工業廢水排放量隨之增加；近年來特殊天氣頻發［1］，雨水的排放量大幅增長；現狀排水管線系統由于年久失修存在較大安全隱患，污水管線斷裂滲漏導致道路塌陷的現象時有發生；汛期大量雨水無法及時排除造成城市內澇，這也給社會的穩定運行帶來壓力。因此，排水管道的增設和維修成為維持城市正常功能運轉的必要條件，需盡快改造城市內有安全隱患的排水管線，并完善排水管線系統［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，需要及時維修延壽。在北京城市規劃中，要改善居民生活環境，補充完善城市功能，避免管道淤堵、破損、地面塌陷、管道修復工作勢在必行［3］。與此同時，基于城市功能和運轉的需求，更甚至有些管道已是歷史文物，不允許開挖修復，因此迫切需要一種非開挖管道修復方式來解決上述問題。

目前紫外光固化修復技術因其可以快速施工、整體性好、斷面損失小、抗滲性能強等特點在非開挖修復技術中得到了一定的應用，但也存在一些技術上的問題需要解決。比如紫外光固化修復中的軟管與原管壁結合性差、易脫離、造價高，無法適用于大管徑及特種斷面排水管道等?；谶@些問題，本文提出一種可以用于噴涂施工的紫外光固化樹脂，對排水管道實行噴涂修復，達到防腐抗滲的功能性修復。

1 傳統紫外光固化修復技術概述

傳統的紫外光固化修復管道技術主要引自于德國，其原理是利用特殊波長的紫外線光的照射，其樹脂體系中的光敏物質通過光化學反應產生活性粒子或基團，從而引發體系中的活性樹脂進行交聯聚合，使具有反應活性的液態物質快速轉變為固態，進而修復受損的地下管道的一項非開挖管道修復技術。紫外光固化修復技術既可以用于管道的整體修復也可以用于管道的局部點修復［4］。

修復過程是將浸透紫外光固化樹脂的軟管，通過檢查井口利用專用設備拉入所要修復的管道內，封閉管道兩端端口，在此內襯管中充壓縮空氣，使內襯管緊貼管壁，然后通過紫外光燈照射，使樹脂硬化，內襯管與原管壁形成統一整體，完成對管道的修復［5］。紫外光固化修復技術現場操作示意如圖1 所示。

圖1 紫外光固化修復技術現場操作示意Fig.1 Schematic diagram of UV curing repair technology

2 紫外光固化樹脂改性

2.1 紫外光固化樹脂改性機理

紫外光固化樹脂是通過紫外光照對樹脂體系中的光敏物質產生活性因子，進而引發整個樹脂體系發生交聯聚合反應，從而促使樹脂硬化，在沒有紫外光照的前提下，樹脂呈流態，噴涂到管道上會發生流掛且無法與管壁結合，且樹脂黏性較大，容易堵塞噴涂設備，基于以上問題，對紫外光固化樹脂進行改性，降低黏度同時提高樹脂基體與管壁的粘結性，且在沒有固化反應前，可以與管壁貼合。

2.2 選定添加劑

樹脂體系中常用的添加劑，諸如增韌劑等都可以改善樹脂的性能，因此選定合適的添加劑可以對樹脂進行改性，使其符合噴涂需求。增韌劑可以降低樹脂的收縮，同時提高斷裂韌性；偶聯劑可以提高樹脂的粘結強度，提高樹脂與基體結合面的粘結力，同時提高樹脂內活性基團的活性，有助于提高固化效率；觸變增進劑，提高樹脂內分子黏結力，增大觸變，改善樹脂流掛現象；活性稀釋劑降低樹脂黏性，適用于噴涂；可噴涂樹脂的控制指標是粘結強度及流掛性能。另外，加入適當比例的固化劑，使樹脂體系在紫外光照前發生部分固化，與原管壁貼合，降低紫外光照前的流掛。

2.3 紫外光固化樹脂改性措施

選定CYD-128 環氧樹脂基體，三芳基硫鎓六氟銻酸鹽831 作為光引發劑，蒽作為光敏促進劑構成紫外光固化樹脂的基體材料，在此基礎上確定添加劑的種類與摻量。首先通過噴涂試驗，確定活性稀釋劑的摻量，使樹脂黏性降低到適合噴涂作業的范圍內，然后通過三因素三水平的正交實驗，確定偶聯劑、觸變增進劑和樹脂固化劑的摻量，最后通過樹脂收縮率實驗，確定增韌劑的摻量，最終確定噴涂紫外光固化樹脂的最佳配合比。因涉及知識產權，本文的偶聯劑等添加劑不公開具體選定的產品，只給出其性能指標和作用機理，并公開試驗步驟和數據。

1.增韌劑

環氧樹脂在固化過程中會發生體積收縮，從而降低其粘結強度，影響噴涂界面整體性，增韌劑可以降低環氧樹脂的收縮，并且可以提高其斷裂韌性，進而提高樹脂的剪切拉伸強度。不同增韌劑的增韌機理不同，應該選定在常溫條件下就可以起到增韌和提高粘結強度的增韌劑，參與環氧樹脂固化反應，增加柔性鏈段，在提高韌性的同時，不會降低耐濕熱老化性，同時具備良好的化學穩定性。

2.偶聯劑

偶聯劑具有兩個不同性質的官能團，一個是親無機物的基團，易與無機物表面起化學反應；另一個是親有機物的基團，能與合成樹脂或其他聚合物發生化學反應或生成氫鍵溶于其中。因此偶聯劑可以提高樹脂的粘結強度，將有機樹脂與無機砂漿界面結合在一起。因為該材料的應用場景為地下管道噴涂修復，修復界面無法做到完全干燥，因此選擇偶聯劑時避免選擇會因為具有游離水而影響作用的類型即可，推薦具備良好水解穩定性的偶聯劑。

3.觸變增進劑

加入樹脂中，與聚合物形成氫鍵，能使樹脂在靜止時具備較高的稠度，外力作用時又會變成低稠度的流體狀態，從而使樹脂在噴涂過程產生較大流動性，具備良好的施工性能，噴到管壁界面時又會變成高稠度狀態，減少流掛現象產生，選擇溶劑型觸變增進劑即可。

4.樹脂固化劑

光固化樹脂中含有光敏物質，需要光引發劑和光敏促進劑使其在紫外光燈照射下發生反應，從而引發樹脂產生交聯反應，但是在噴涂施工紫外光燈照射前，加入對應體系的樹脂固化劑，可以促進樹脂的固化反應，提高固化率，使樹脂與原管壁更緊密貼合，選擇可以在潮濕環境下仍具有良好穩定性的對應樹脂固化劑即可。

5.活性稀釋劑

活性稀釋劑會參與樹脂的固化反應，從而降低樹脂的黏度，利于噴涂修復，選擇陽離子型固化劑，與樹脂發生陽離子聚合反應，降黏效果比其他類型活性稀釋劑更好。

3 紫外光固化樹脂改性試驗

3.1 噴涂試驗

通過高壓離心噴涂機的測定，當樹脂黏度在35Pa·s～42Pa·s之間時，可以保證連續噴涂且不會堵塞噴涂機頭，也不會過于粘壁，要使黏度保持在此范圍內，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%進行后續試驗。

3.2 正交試驗

設計偶聯劑、觸變增進劑、樹脂固化劑的三因素三水平正交試驗配合比，進行流掛性能、粘結強度試驗研究，確定材料的配合比見表1。設計正交試驗見表2。

表1 正交試驗三因素三水平設計Tab.1 Three-factor and three-level design table of orthogonal test

表2 正交試驗Tab.2 Orthogonal test table

3.3 正交試驗數據分析

根據分析正交試驗的數據，統計材料的流掛性能和粘結強度試驗結果如表3 所示。

表3 試驗數據統計Tab.3 Statistical table of test data

正交試驗結果分析如表4 所示。

表4 正交試驗結果分析Tab.4 Orthogonal test result analysis

通過表4 的試驗結果，可以確定影響因素的主次順序，材料粘結強度的影響主次順序為偶聯劑（A）、樹脂固化劑（C）、觸變增進劑（B），流掛性能影響的主次順序為觸變增進劑（B）、樹脂固化劑（C）、偶聯劑（A），基于本試驗研究所期望達到的技術指標，最佳的原材料組合為：A3B3C2，即在紫外光固化樹脂體系中加入8%偶聯劑、4%觸變增進劑和6%的樹脂固化劑。

3.4 收縮率試驗

本試驗利用體積收縮率測定樹脂固化過程的收縮特性，所謂體積收縮率是指樹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%，其試驗結果如圖2 所示。根據試驗結果，紫外光固化樹脂的體積收縮率隨增韌劑的增長呈現先降低后增長的過程，這是因為增韌劑可以使樹脂分子互相包裹，形成類似于網狀結構的形態，防止樹脂收縮，但是增韌劑量太大后，樹脂聚合反應增加，分子鏈運動活性提高，分子排列從無序到有序，形成類似結晶的結構，收縮就會增加，所以添加適當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、正交試驗及收縮率試驗的試驗結果，最終選定噴涂紫外光固化樹脂的最優配合比如表5 所示。

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

4 紫外光固化樹脂噴涂管道試驗

利用表5 配制噴涂紫外光固化樹脂，然后通過專用設備噴涂一段直徑800mm、2m 長的混凝土管，噴涂后對管道進行紫外光燈照射，待樹脂固化后及24h 后對該段管進行管道機器人檢測，測試噴涂效果，并對該管節進行閉水試驗，測定噴涂后的抗滲性能。

通過管道機器人對噴涂層進行外觀及超聲波檢測，整段管的噴涂層均勻、連續，無氣泡、鼓包及裂縫產生；沒有固化不完全或未固化現象；處理后的管道任意點的平均壁厚不小于設計值的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

對修復管段進行密閉性水重壓試驗時，試驗管段滿水后，浸泡時間不應少于24h；在壓力為50kPa，穩壓15h的工作條件下，壓降為0.01MPa，按規范要求＜0.02MPa即為合格。

根據管道噴涂后的表觀測試及閉水試驗測試，說明利用紫外光固化樹脂進行管道噴涂修復，可以對管道起到抗滲性修復，并且紫外光固化樹脂形成的內壁層，粗糙度系數僅為0.009，對比原管道1.0 的粗糙度系數，相同條件下管道過流量提升近15%～20%。

5 防腐性能測試

耐腐蝕性是管道功能性修復的一個重要指標。本試驗選用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脂的試塊放到兩種溶液中浸泡，同時將試塊在普通水中浸泡，2個月后觀測表面情況有無松散剝落坑槽等現象，觀測其耐腐蝕性，并測試質量及抗壓強度有無損失，養護完后的普通試塊抗壓強度為47.5MPa，噴涂紫外光固化樹脂的試塊抗壓強度為52.5MPa，浸泡后的測試結果如表6 所示。

表6 噴涂紫外光固化樹脂的試塊防腐性測試結果Tab.6 The test results of the corrosion resistance of the samples sprayed with UV-curable resin

通過表6 可以看出，噴涂紫外光固化樹脂后的混凝土試塊其耐腐蝕性明顯高于普通混凝土試塊。這是因為紫外光固化樹脂在混凝土表面形成致密連續的保護層，噴涂紫外光固化樹脂可以對管道起到防腐修復作用。

6 噴涂紫外光固化樹脂管道修復工藝

通過地面噴涂紫外光固化樹脂試驗，結合管道噴涂修復技術，總結噴涂紫外光固化樹脂管道修復工藝的基本流程如圖4 所示。對將要進行噴涂修復的管段的上游進行封堵截流，作業管道進行降水和導水，保證噴涂作業期間該管段內無流水和積水。之后對管道進行預處理，包括清淤、高壓水沖洗及管壁清理，沖洗的水應及時抽走，管壁應無油漬、泥垢等雜質，保證噴涂效果，管壁可以是潮濕狀態，但不應有明水流動。之后對該管段進行噴涂作業，噴涂后進行紫外光燈照射。待樹脂固化后2h，對噴涂內壁進行CCTV檢測。如管壁完整、光滑，厚度均勻，無氣泡，則符合要求，即可通水；如不符合要求要重新噴涂，直至達到要求為止。

圖4 噴涂紫外光固化樹脂管道修復工藝流程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場景，對各種類型、各種尺寸的管道都適用，但僅對管道起到抗滲防腐的修復效果，無法達到結構補強的作用，因此，如管道發生承載力下降或結構性破壞，該修復措施并不適用。

7 結論

1.通過對紫外光化樹脂進行改性可以降低其黏度同時提高粘結性能，使其適合噴涂作業，經過系列試驗確定了噴涂紫外光固化樹脂的最優配合比。

2.利用該材料對管道進行噴涂作業，噴漿連續不堵塞，噴后的管壁均勻致密，厚度統一，且粗糙度系數降低，提高流速。

3.經過閉水試驗和耐腐蝕性試驗，驗證了對管道噴涂紫外光固化樹脂后，可以起到防腐抗滲的功能性修復效果。

將紫外光固化樹脂進行改性，對管道實施噴涂修復作業，可以有效避免傳統紫外光固化修復技術的缺點，適用于更多類型、更多應用場景的管道修復作業，促進紫外光固化修復技術的發展。