新型FRP層壓板解決老問題

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      一種新型FRP制品能夠解決傳統(tǒng)層壓板或濕法手糊系統(tǒng)無法解決的許多結構修復和翻新工程方面的問題。QuakeWrap公司總裁Mo Ehsani教授討論了這種“超級層壓板”的優(yōu)勢。
圖1 . 從左至右：碳纖維和玻纖超級層壓板；碳纖維層壓帶　　20世紀80年代晚期，亞利桑那大學的研究者們首次開始纖維增強復合材料（FRP）層壓板外部粘結加固的研究，并發(fā)表了第一篇論文。1989年Loma Prieta地震中，許多橋梁倒塌以后，加州交通部開始尋求橋墩的加固方案。于是，該研究小組第一次將他們的研究成果付諸實踐，即用FRP從外面包裹住這些橋墩。當初被許多人懷疑的這種不同尋常的方法，自那時起逐漸成為世界范圍內用于結構修復和翻新的主流技術。
         
        針對FRP制品的全球性研究風潮和開發(fā)行動，引發(fā)了大量國際性研討會的召開，以及美國土木工程學會（ASCE）《復合材料建筑》（Journal of Composites for Construction）雜志在1997年的創(chuàng)刊。FRP制品的高拉伸強度、輕量、耐久性和多功能性使其成為許多翻新工程的首選材料。
         
        全世界有大量的建筑、橋梁、管道采用FRP制品進行過修復。隨著設計規(guī)范的發(fā)表，F(xiàn)RP不再是一種實驗性產品，而是受到良好認可的建筑材料。目前采用的FRP制品形式可以分為兩類： ◆ 織物 ◆ 預固化制品
        
        織物在該領域內具有最廣泛的用途，主要采用濕法手糊工藝安裝。該方法需要由受過專門培訓的技術人員準備好樹脂，然后用樹脂浸漬織物，最后再將其鋪放到結構部件上?？椢镌诠袒氨仨氄J真去除其中的所有氣泡。因此，手糊FRP制品的最終強度主要取決于安裝質量。
　預固化制品是在工廠內制成的，質量可控且穩(wěn)定。較高的纖維/樹脂比也為這些制品提供了高于手糊制品的強度和硬度。預固化制品有加強筋和單向層壓帶兩種類型。后者寬度通常在75-100毫米（3-4英寸）之間，厚度大約為1.3毫米（0.05英寸）（圖1）。在建筑修復領域，通常使用環(huán)氧膠將層壓帶粘結在結構部件的外表面上。
         
        雖然層壓帶相對于手糊制品具有安裝簡便、強度高的優(yōu)點，但其應用相對來說還是有限的，原因有兩個：
         
        ◆ 帶有單向增強材料的層壓帶只適用于梁和平板的彈性增強，以及某些梁的剪切增強；
        ◆ 層壓帶的硬度不允許它們卷成直徑小于750毫米（30英寸）的卷。（后面將談到，這是其無法涉足某些應用的主要限制。）
　　目前用于生產層壓帶的設備和技術不適合制造大型層壓板。因此，解決層壓帶的上述缺陷很有必要。
         
        超級層壓板
         
        20年來，建筑工程師一直在濕法手糊工藝中采用織物或直接使用層壓帶。這些材料本身就存在局限，從而限制了結構工程師為某些應用提出經濟高效的解決方案。
         
        “超級層壓板”是新一代的FRP制品，由作者開發(fā)的這一材料克服了層壓帶的上述缺陷。下文將會講到，這些制品解決了多年來困擾工程師和建筑專家的問題。某些情況下，沒有超級層壓板就不可能有解決方案。
         
        超級層壓板采用專門的設備制成。寬達1.5米（60英寸）的碳纖維板或玻纖織物由樹脂浸漬后，通過一個壓床時，在均勻的熱量和壓力下，形成層壓板。超級層壓板（圖1）相對于傳統(tǒng)層壓材料具有三大優(yōu)勢。首先，單向或雙軸向織物使層壓板同時具有橫向和縱向的強度，這一巨大優(yōu)勢使其進入許多新的應用領域。第二，它們比傳統(tǒng)層壓帶薄得多，基本厚度為0.66毫米（0.025英寸），可以很容易卷成直徑為300毫米（12英寸）甚至更小的卷。最后，鋪層的數(shù)量和模式可以調節(jié)，從而生產出完全定制的產品，節(jié)約大量的制造時間和成本（圖2）。
圖2. 一片超級層壓板中可以結合多層織物
圖2. 一片超級層壓板中可以結合多層織物
　　圖1顯示了一卷3英尺（90厘米）寬的碳纖維超級層壓板和一卷4英尺（120厘米）寬的玻纖超級層壓板，最右邊是傳統(tǒng)的3英寸（7.6厘米）寬的碳纖維層壓帶。超級層壓板的彈性很好，可以卷成很小的直徑，大型碳纖維板的一角很容易折疊起來。超級層壓板可以使FRP制品在建筑工程領域的認可度獲得巨大提升。某些建筑方面的難題只有超級層壓板可以解決。
         
        管道的增強
         
        ASCE于2009發(fā)布的關于美國基礎設施的報告指出，管道的泄漏每天導致大約70億加侖（260億升）的清潔飲用水白白流失。此外，輸水管網(wǎng)和石油、化工、電力行業(yè)的許多管道都出現(xiàn)了老化，需要修復或增強。
         
        這些管道通常承受著一定的壓力，鋼筋混凝土中增強材料的老化或厚度的減小，使得管道對內部環(huán)向應力的抵抗強度下降。如果不加留意，發(fā)生故障的后果是非常嚴重的，可能會使整個地區(qū)被水淹沒，或者導致工廠的緊急停機。
         
        過去的管道增強方法是在管道內表面鋪設一層或多層碳纖維織物。這些織物可以在環(huán)向和縱向為管道提供足夠的強度。但是，濕法手糊工藝速度緩慢，工期長，這是該方法的主要缺陷，特別是在管道比較長的情況下。
         
        超級層壓板相對于濕法手糊系統(tǒng)具有幾大優(yōu)勢。首先，產品的機械性能可以在安裝到管道內之前進行獨立測試，以便剔除有瑕疵的產品。這一點手糊方法是做不到的。在后面介紹的案例中，樣品先在安裝現(xiàn)場制備好，幾天后才進行測試。如果有質量問題，就會浪費大量的時間和金錢。超級層壓板在生產工廠內就進行質量控制，能夠為工地直接供應成品。
第二，超級層壓板大大縮短了施工時間，因為最耗時的工作（即織物的浸漬和氣泡的消除）是在制造工廠內完成的，而不是在管道內。QuakeWrap公司銷售的層壓板商標為PipeMedictm，可以根據(jù)每個工程的需要提前生產，通過人工檢修口置入管道內。層壓板的彈性很好，可以卷成小卷穿過直徑為600毫米（24英寸）的人工檢修口。進入管道后，卷就會自動打開，超級層壓板的彈性效應使其緊貼管道內壁——就像一個受壓的彈簧。沒有氣泡需要去除。安裝現(xiàn)場也不需要大型樹脂設備。
         
        第三，一種層壓板中可以采用多層織物，進一步縮短施工時間。例如，為防止鋼質管道發(fā)生電偶腐蝕而進行的加固，通常需要在管道內壁先鋪設一層玻纖織物，然后再鋪設碳纖織物。這種防護層可以在生產過程中直接置入超級層壓板中，從而避免在現(xiàn)場鋪設兩層織物的麻煩，只需要一層超級層壓板即可。在其他應用中，可能需要不止一層碳纖維織物進行加固，同樣，多層的織物也可以結合到一片層壓板中。
         
        以上方法為極大地提高了管道翻新的效率，通常可以節(jié)約80%以上的施工時間。修復時間的顯著縮短，使大型翻新工程得以實施。例如，水務部門不可能承受傳統(tǒng)濕法手糊修復所需要的長時間的停機。
         
圖3. 成卷的層壓板可以放入管道內，并粘貼在管壁上        安裝時，首先在超級層壓板的反面涂覆一層環(huán)氧樹脂膠，然后將其粘貼到管道內壁（圖3）。由于超級層壓板是預固化的，因此省略了除泡過程。在不同直徑的管道內，卷起的超級層壓板可以很容易地緊貼在管壁上。超級層壓板可以一環(huán)一環(huán)地沿著管道鋪設，環(huán)的寬度最寬達1.5米（60英寸）。環(huán)的連續(xù)性依靠環(huán)向和縱向上充分的重合長度來實現(xiàn)。因此，管道內會很快形成一個在環(huán)向和縱向都具有足夠強度的壓力容器。這是窄的單向層壓帶迄今都無法實現(xiàn)的。
         
        如果管道直徑較小，人無法進入，可以采用“打包”方法來進行修復。將超級層壓板切割成合適的長度，涂上環(huán)氧樹脂膠，包覆在一個圓柱形的結構（其外側帶有一個密封的氣囊）上，然后用繩子系住。整個組合放入管道內后，借助閉路攝像機，將其拉到所需的位置。此時，氣囊就會膨脹，使超級層壓板粘附到管壁上。幾分鐘后，待氣囊內的氣體泄出，即可將圓柱結構移出管道。
         
        超級層壓板對于管道直徑的適用性，即“一種尺寸行天下”，為承包商節(jié)約了大量的時間和成本。目前市場上銷售的大多數(shù)以內襯形式修復或加固管道的產品，具有統(tǒng)一的直徑，不能用于不同尺寸的管道內。