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(jié)構(gòu)修復(fù)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(jí)層壓板”的優(yōu)勢(shì)。
圖1 . 從左至右：碳纖維和玻纖超級(jí)層壓板；碳纖維層壓帶　　20世紀(jì)80年代晚期，亞利桑那大學(xué)的研究者們首次開始纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）層壓板外部粘結(jié)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(shí)踐，即用FRP從外面包裹住這些橋墩。當(dāng)初被許多人懷疑的這種不同尋常的方法，自那時(shí)起逐漸成為世界范圍內(nèi)用于結(jié)構(gòu)修復(fù)和翻新的主流技術(shù)。
         
        針對(duì)FRP制品的全球性研究風(fēng)潮和開發(fā)行動(dòng)，引發(fā)了大量國際性研討會(huì)的召開，以及美國土木工程學(xué)會(huì)（ASCE）《復(fù)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(qiáng)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(jìn)行過修復(fù)。隨著設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)表，F(xiàn)RP不再是一種實(shí)驗(yàn)性產(chǎn)品，而是受到良好認(rèn)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(yù)固化制品
        
        織物在該領(lǐng)域內(nèi)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(xùn)的技術(shù)人員準(zhǔn)備好樹脂，然后用樹脂浸漬織物，最后再將其鋪放到結(jié)構(gòu)部件上。織物在固化前必須認(rèn)真去除其中的所有氣泡。因此，手糊FRP制品的最終強(qiáng)度主要取決于安裝質(zhì)量。
　預(yù)固化制品是在工廠內(nèi)制成的，質(zhì)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(qiáng)度和硬度。預(yù)固化制品有加強(qiáng)筋和單向?qū)訅簬煞N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(fù)領(lǐng)域，通常使用環(huán)氧膠將層壓帶粘結(jié)在結(jié)構(gòu)部件的外表面上。
         
        雖然層壓帶相對(duì)于手糊制品具有安裝簡(jiǎn)便、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用相對(duì)來說還是有限的，原因有兩個(gè)：
         
        ◆ 帶有單向增強(qiáng)材料的層壓帶只適用于梁和平板的彈性增強(qiáng)，以及某些梁的剪切增強(qiáng)；
        ◆ 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(yīng)用的主要限制。）
　　目前用于生產(chǎn)層壓帶的設(shè)備和技術(shù)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(jí)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(jié)構(gòu)工程師為某些應(yīng)用提出經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
         
        “超級(jí)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(huì)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(jí)層壓板就不可能有解決方案。
         
        超級(jí)層壓板采用專門的設(shè)備制成。寬達(dá)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(gè)壓床時(shí)，在均勻的熱量和壓力下，形成層壓板。超級(jí)層壓板（圖1）相對(duì)于傳統(tǒng)層壓材料具有三大優(yōu)勢(shì)。首先，單向或雙軸向織物使層壓板同時(shí)具有橫向和縱向的強(qiáng)度，這一巨大優(yōu)勢(shì)使其進(jìn)入許多新的應(yīng)用領(lǐng)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(diào)節(jié)，從而生產(chǎn)出完全定制的產(chǎn)品，節(jié)約大量的制造時(shí)間和成本（圖2）。
圖2. 一片超級(jí)層壓板中可以結(jié)合多層織物
圖2. 一片超級(jí)層壓板中可以結(jié)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(jí)層壓板和一卷4英尺（120厘米）寬的玻纖超級(jí)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(jí)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(jí)層壓板可以使FRP制品在建筑工程領(lǐng)域的認(rèn)可度獲得巨大提升。某些建筑方面的難題只有超級(jí)層壓板可以解決。
         
        管道的增強(qiáng)
         
        ASCE于2009發(fā)布的關(guān)于美國基礎(chǔ)設(shè)施的報(bào)告指出，管道的泄漏每天導(dǎo)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(fù)或增強(qiáng)。
         
        這些管道通常承受著一定的壓力，鋼筋混凝土中增強(qiáng)材料的老化或厚度的減小，使得管道對(duì)內(nèi)部環(huán)向應(yīng)力的抵抗強(qiáng)度下降。如果不加留意，發(fā)生故障的后果是非常嚴(yán)重的，可能會(huì)使整個(gè)地區(qū)被水淹沒，或者導(dǎo)致工廠的緊急停機(jī)。
         
        過去的管道增強(qiáng)方法是在管道內(nèi)表面鋪設(shè)一層或多層碳纖維織物。這些織物可以在環(huán)向和縱向?yàn)楣艿捞峁┳銐虻膹?qiáng)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(jí)層壓板相對(duì)于濕法手糊系統(tǒng)具有幾大優(yōu)勢(shì)。首先，產(chǎn)品的機(jī)械性能可以在安裝到管道內(nèi)之前進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，以便剔除有瑕疵的產(chǎn)品。這一點(diǎn)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(chǎng)制備好，幾天后才進(jìn)行測(cè)試。如果有質(zhì)量問題，就會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。超級(jí)層壓板在生產(chǎn)工廠內(nèi)就進(jìn)行質(zhì)量控制，能夠?yàn)楣さ刂苯庸?yīng)成品。
第二，超級(jí)層壓板大大縮短了施工時(shí)間，因?yàn)樽詈臅r(shí)的工作（即織物的浸漬和氣泡的消除）是在制造工廠內(nèi)完成的，而不是在管道內(nèi)。QuakeWrap公司銷售的層壓板商標(biāo)為PipeMedictm，可以根據(jù)每個(gè)工程的需要提前生產(chǎn)，通過人工檢修口置入管道內(nèi)。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(jìn)入管道后，卷就會(huì)自動(dòng)打開，超級(jí)層壓板的彈性效應(yīng)使其緊貼管道內(nèi)壁——就像一個(gè)受壓的彈簧。沒有氣泡需要去除。安裝現(xiàn)場(chǎng)也不需要大型樹脂設(shè)備。
         
        第三，一種層壓板中可以采用多層織物，進(jìn)一步縮短施工時(shí)間。例如，為防止鋼質(zhì)管道發(fā)生電偶腐蝕而進(jìn)行的加固，通常需要在管道內(nèi)壁先鋪設(shè)一層玻纖織物，然后再鋪設(shè)碳纖織物。這種防護(hù)層可以在生產(chǎn)過程中直接置入超級(jí)層壓板中，從而避免在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)兩層織物的麻煩，只需要一層超級(jí)層壓板即可。在其他應(yīng)用中，可能需要不止一層碳纖維織物進(jìn)行加固，同樣，多層的織物也可以結(jié)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?？梢怨?jié)約80%以上的施工時(shí)間。修復(fù)時(shí)間的顯著縮短，使大型翻新工程得以實(shí)施。例如，水務(wù)部門不可能承受傳統(tǒng)濕法手糊修復(fù)所需要的長時(shí)間的停機(jī)。
         
圖3. 成卷的層壓板可以放入管道內(nèi)，并粘貼在管壁上        安裝時(shí)，首先在超級(jí)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(nèi)壁（圖3）。由于超級(jí)層壓板是預(yù)固化的，因此省略了除泡過程。在不同直徑的管道內(nèi)，卷起的超級(jí)層壓板可以很容易地緊貼在管壁上。超級(jí)層壓板可以一環(huán)一環(huán)地沿著管道鋪設(shè)，環(huán)的寬度最寬達(dá)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(shí)現(xiàn)。因此，管道內(nèi)會(huì)很快形成一個(gè)在環(huán)向和縱向都具有足夠強(qiáng)度的壓力容器。這是窄的單向?qū)訅簬穸紵o法實(shí)現(xiàn)的。
         
        如果管道直徑較小，人無法進(jìn)入，可以采用“打包”方法來進(jìn)行修復(fù)。將超級(jí)層壓板切割成合適的長度，涂上環(huán)氧樹脂膠，包覆在一個(gè)圓柱形的結(jié)構(gòu)（其外側(cè)帶有一個(gè)密封的氣囊）上，然后用繩子系住。整個(gè)組合放入管道內(nèi)后，借助閉路攝像機(jī)，將其拉到所需的位置。此時(shí)，氣囊就會(huì)膨脹，使超級(jí)層壓板粘附到管壁上。幾分鐘后，待氣囊內(nèi)的氣體泄出，即可將圓柱結(jié)構(gòu)移出管道。
         
        超級(jí)層壓板對(duì)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(shí)間和成本。目前市場(chǎng)上銷售的大多數(shù)以內(nèi)襯形式修復(fù)或加固管道的產(chǎn)品，具有統(tǒng)一的直徑，不能用于不同尺寸的管道內(nèi)。