一种高压缩弹性垫层材料及其应用

摘要

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及PCCP管预应力碳纤维补强加固技术领域，具体公开了一种高压缩弹性垫层材料及其应用，高压缩弹性垫层材料是由单组分聚脲、可挥发溶剂与聚苯颗粒经混合、挥发、固化形成的层状多孔结构。本发明高压缩弹性垫层材料具有抗拉强度高、可压缩、低弹模、防渗、保温及耐老化等特性，能够用于PCCP管预应力碳纤维补强加固，克服了现有技术缺点，能够保证在PCCP管内侧粘贴碳纤维布加固中充分发挥碳纤维高强度的优势。

权利要求

1.一种高压缩弹性垫层材料，其特征在于：所述高压缩弹性垫层材料的原料组分包括单组分聚脲、可挥发溶剂与聚苯颗粒；

所述高压缩弹性垫层材料由所述原料组分经混合、挥发溶剂、固化后形成层状多孔结构；

其中，所述可挥发溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯和丁酮，所述可挥发溶剂用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的8～13％，所述聚苯颗粒用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的2～5％。

2.根据权利要求1所述的高压缩弹性垫层材料，其特征在于：所述丙二醇甲醚醋酸酯用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质 量的3～5％，丁酮用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的5～8％；所述聚苯颗粒 直径为0.5～1.5mm。

3.根据权利要求1所述的高压缩弹性垫层材料，其特征在于：所述高压缩弹性垫层材料 的压缩变形大于50％，断裂拉伸强度大于2.0MPa，断裂伸长率大于80％，与混凝土的粘接强 度大于1.4MPa，弹性模量为2.0～4.0MPa。

4.如权利要求1～3中任意一项所述高压缩弹性垫层材料的应用，其特征在于：用于与 碳纤维布层合用以加固基材；其中，所述高压缩弹性垫层材料成型于基材上成为高压缩弹 性垫层，所述高压缩弹性垫层位于碳纤维布层与基材之间，所述高压缩弹性垫层能够受压 变形，使碳纤维布层变形增大。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述高压缩弹性垫层材料涂抹于所述基材 上固化成为高压缩弹性垫层，所述碳纤维布层通过粘接固定于高压缩弹性垫层。

6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征在于：所述基材为PCCP管，所述高压缩弹性垫 层为设于PCCP管内壁的涂层，厚度为2～10mm。

说明书

一种高压缩弹性垫层材料及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及PCCP管预应力碳纤维补强加固技术领域。

背景技术

[0002] 预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简写PCCP管)是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，综合发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性，广泛应用于长间隔输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、产业有压输水管线、电厂循环水工程下水管道、压力排污干管等。与以往管材相比，PCCP管具有适用范围广、经济寿命长、抗震性能好、安装方便、基本不漏水等优点。目前我国引调水工程中使用PCCP管的工程越来越多。但由于设计、施工质量缺陷、运行管理不当等原因，目前多个工程已发生断丝，甚至爆管现象，严重威胁着输水管道的安全运行。大部分爆管是由于高强混凝土管芯上缠绕的环向预应力钢丝出现断丝所致，为了防患于未然，对检测出有断丝的PCCP管需要进行加固。

[0003] PCCP管加固可以采用置换、加大外部断面、粘钢、内衬钢桶、外部粘贴碳纤维及内侧粘贴碳纤维等方法。这些方法各具特色，互有优劣。其中，内侧粘贴碳纤维加固PCCP管技术是通过树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于PCCP管内侧混凝土表面，通过两者的共同作用达到加固补强、改善结构受力性能的一种加固技术。与其他加固技术相比，这种技术无需大型施工机具，施工简便、高效、质量易保证。碳纤维材料一般具有良好的耐腐蚀性和耐久性，片材较轻且薄，基本不增加原结构自重及不减少PCCP管的过水断面。但大量的实验研究和工程实践表明，目前的碳纤维加固技术存在一些固有缺陷，由于碳纤维弹性模量相对其强度低得多，发挥强度时需要较大的变形，难以抑制PCCP管结构的变形与裂缝的发展，导致PCCP管加固效果不明显。如碳纤维在较低的应力水平时就发生PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝断裂，使碳纤维材料的高强度优势不能得到有效发挥。这些缺陷在很大程度上降低了碳纤维对PCCP管加固的效果。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的问题是改善现有技术存在的不足，提供一种高压缩弹性垫层材料。该材料具有强度高、可压缩、低弹模、防渗、保温及耐老化等特性，能够用于PCCP管预应力碳纤维加固。

[0005] 本发明还提供了上述高压缩弹性垫层材料的应用，能够充分发挥碳纤维高强度的优势，使碳纤维对PCCP管的加固效果显著提高，能够有效避免PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝进一步断裂。

[0006] 本发明所采取的技术方案是，一种高压缩弹性垫层材料，所述高压缩弹性垫层材料的原料组分包括单组分聚脲、可挥发溶剂与聚苯颗粒；

[0007] 所述高压缩弹性垫层材料由所述原料组分经混合、挥发溶剂、固化后形成层状多孔结构；

[0008] 其中，所述可挥发溶剂用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的8～13％，所述聚苯颗粒用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的2～5％。

[0009] 进一步地，所述可挥发溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和丁酮(MEK)，所述丙二醇甲醚醋酸酯用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的3～5％，丁酮用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的5～8％；所述聚苯颗粒直径为0.5～1.5mm。

[0010] 优选的，所述高压缩弹性垫层材料的压缩变形大于50％，断裂拉伸强度大于2.0MPa，断裂伸长率大于80％，与混凝土的粘接强度大于1.4MPa，弹性模量为2.0～4.0MPa。

[0011] 优选的，所述单组份聚脲材料的抗拉强度大于15MPa、扯断拉伸率大于300％、撕裂强度大于40N/mm、与混凝土粘结强度大于2.5MPa。

[0012] 如前所述高压缩弹性垫层材料的应用，用于与碳纤维布层合用以加固基材；其中，所述高压缩弹性垫层材料成型于基材上成为高压缩弹性垫层，所述高压缩弹性垫层位于碳纤维布层与基材之间，所述高压缩弹性垫层能够受压变形，使碳纤维布层变形增大。

[0013] 进一步地，所述高压缩弹性垫层材料涂抹于所述基材上固化成为高压缩弹性垫层，所述碳纤维布层通过粘接固定于高压缩弹性垫层。

[0014] 进一步地，所述基材为PCCP管，所述高压缩弹性垫层为设于PCCP管内壁的涂层，厚度为2～10mm。

[0015] 本发明的有益效果是：

[0016] (1)本发明提供的高压缩弹性垫层材料，主要以单组分聚脲为胶结材料，适当加入少量溶剂，与聚苯颗粒混合溶解后，在聚脲内部形成多个均匀、独立的孔洞，固化后形成一种高压缩弹性垫层。高压缩弹性垫层材料除具有可压缩、低弹性模量外，还具有强度高、防渗、保温及耐老化的特性，充填在PCCP管与碳纤维布之间，还能够作为柔性防水层。

[0017] (2)本发明采用高压缩弹性垫层材料，设于待加固基材与碳纤维布层中间，待加固基材受到由高压缩弹性垫层侧传来的压力前，高压缩弹性垫层首先受压缩变形，使所述碳纤维布层内碳纤维受到的拉应力增大，碳纤维布层变形增大，克服了现有技术碳纤维布层因变形小不能发挥高强度特性的缺点，达到提高碳纤维布补强加固效果的目的。

[0018] (3)本发明高压缩弹性垫层材料应用于PCCP管加固结构中，在PCCP管钢筒混凝土层与碳纤维布层中间设置高压缩弹性模垫层，在PCCP管内承受水压时，高压缩弹性垫层沿管径方向向PCCP管管壁压缩，从而带动PCCP管内的环形碳纤维布层随之向外扩展，碳纤维布层变形增大，使碳纤维张力增大，成为预应力状态，充分发挥出其强度高的优点，可保证在PCCP管未开始变形的基础上，增加了碳纤维布层的变形。PCCP管在内水压力作用下，由于高压缩弹性垫层的压缩变形，导致碳纤维布首先承担部分内水压力，同时通过高压缩弹性垫层，将其余部分内水压力传到PCCP管，保证了碳纤维布与PCCP管联合受力，使碳纤维材料的高强度优势得到有效发挥，最大程度的增加了碳纤维布对PCCP管的加固效果，增加了碳纤维布层所承受的内水应力，进而减小了分散到钢筒混凝土层的应力，有效避免了PCCP管混凝土出现裂缝或预应力钢丝进一步断裂。

附图说明

[0019] 图1是本发明一种高压缩弹性垫层材料的结构示意图；

[0020] 图2是本发明高压缩弹性垫层材料一种应用实施例示意图。

[0021] 其中，1、PCCP管；2、高压缩弹性垫层；3、碳纤维布层；4、孔洞；5、聚脲。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，以下实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

[0023] 实施例

[0024] 一种高压缩弹性垫层材料，其原料组分包括单组分聚脲、可挥发溶剂与聚苯颗粒，并由以上原料组分经混合、固化形成层状多孔结构，见图1。

[0025] 单组分聚脲为胶结材料，适当加入少量可挥发性溶剂，与聚苯颗粒混合溶解后，相比于单组分聚脲固化材料，能够在聚脲5内部形成多个均匀、独立的孔洞4，见图1，因而形成一种高压缩弹性垫层材料，同时具有可压缩、低弹性模量、防渗、保温及耐老化的特性。

[0026] 其中，可挥发溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)和丁酮(MEK)，PMA和MEK与单组分聚脲相容性较好，能稀释单组分聚脲，同时可以溶解聚苯颗粒，挥发后形成孔洞。丙二醇甲醚醋酸酯用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的3～5％，丁酮用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的5～8％；聚苯颗粒直径为0.5～1.5mm，用量为单组分聚脲与可挥发溶剂混合液总质量的2～5％。

[0027] 高压缩弹性垫层具体制备方法包括以下步骤：

[0028] (1)分别称取单组份聚脲、丙二醇甲醚醋酸酯、丁酮，并将三者混合均匀；

[0029] (2)称取聚苯颗粒并将其加入上述混合液体材料；

[0030] (3)将上述掺入聚苯颗粒后的混合材料搅拌均匀后，涂抹在PCCP管内壁，每次涂抹厚度可达2mm。

[0031] (4)在固化过程中，混合材料中聚苯颗粒与单组分聚脲内的二醇甲醚醋酸酯和丁酮发生化学反应，聚苯颗粒溶解、溶剂挥发、完全固化后形成多孔结构。

[0032] 对上述固化成型的高压缩弹性垫层材料进行性能检测，结果见下表。

[0033] 材料性能测试结果表

[0034]测试项目 性能数据
弹性模量，MPa 2.0～4.0
泊松比 0
拉伸强度，MPa 2.0～3.0
断裂伸长率，％ 80～120
与混凝土粘结强度，MPa 1.4～2.0
压缩变形，％ ≥50

[0035] 由上表可见，高压缩弹性垫层材料的压缩变形大于50％，断裂拉伸强度大于2.0MPa，断裂伸长率大于80％，与混凝土的粘接强度大于1.4MPa，弹性模量为2.0～4.0MPa。
其中，所用单组份聚脲材料的抗拉强度大于15MPa、扯断拉伸率大于300％、撕裂强度大于
40N/mm、与混凝土粘结强度大于2.5MPa。

[0036] 本发明实施例制得的高压缩弹性垫层材料的应用，用于与碳纤维布层合用以加固基材，高压缩弹性垫层位于碳纤维布层与基材之间，高压缩弹性垫层能够受压变形，使碳纤维布层变形增大。例如，用于PCCP管加固，见图2，包括设于PCCP管1内侧混凝土层的碳纤维布层3，PCCP管内壁与碳纤维布层之间还设有高压缩弹性垫层2，碳纤维布层3通过树脂粘接剂粘接固定于高压缩弹性垫层2，高压缩弹性垫层2为一高压缩弹性垫层材料涂层，厚度为2～10mm。高压缩弹性垫层2能够在PCCP管1内承受水压时变形，导致碳纤维布层3受拉变形增大。在PCCP管内承受水压时，高压缩弹性垫层沿管径方向向PCCP管管壁压缩，从而带动PCCP管内的环形碳纤维布层随之向外扩展，碳纤维布层变形增大，使碳纤维受拉应力增大，充分发挥出其强度高的优点，从而有效保护PCCP管。本发明所述基材不限于PCCP管，可广泛适用于碳纤维加固技术、伸缩缝止水嵌填材料等领域。

[0037] 虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。