CN109352884A - 一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，该成型工艺以FRP管作为内模、并与外模相配合形成聚合物砼的浇注空间，成型后脱去外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道，成型工艺操作依次经过外模预处理、浇注结构搭建以及浇注成型三个步骤，制作的玻璃钢增强聚合物高压管道由内向外依次为内衬层、FRP管、带有骨架网和加强网的聚合物砼层、粘结加强层、织物树脂层以及胶衣树脂层，该成型管道不仅表面的防侵蚀效果好，而且其环向抗拉强度较高，能够承受较高的水压，使用过程中不易出现开裂、破损等破坏现象，后期的维护保养成本较低，能够节省大量的人力物力。

Description

一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺

技术领域

本发明属于管道技术领域，具体涉及一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺。

背景技术

现有的地下输水管道一般使用钢筋砼管道，主要承担饮用水、污水、雨水或者农田灌溉等输水功能，但现有的钢筋砼管道存在很多缺点，首先承压性能有限，砼易开裂、破损或者脱落，造成漏水的情况较为常见，并且掩埋在土壤中或者输送带有腐蚀性污水时，砼管道还会逐渐被侵蚀，造成管道破损问题，砼管道破损后需要更换或者修补，都需要中断输水过程，并且需要挖开掩埋的管道，工程量较大，因此，钢筋砼管道的后期维护需要耗费大量的人力物力。

发明内容

本发明克服了现有技术的缺点，提供了一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，该成型工艺操作简便，制备的聚合物砼型FRP管道防护和抗侵蚀能力较好，抗拉强度显著提高，使用时不易产生开裂、破碎等破坏情况，使用稳定且寿命长，后期维护和更换工作量大大减少。

本发明的具体技术方案是：

一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，关键点是，该成型工艺以FRP管作为内模、并与外模相配合形成聚合物砼的浇注空间，成型后脱去外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道，成型工艺操作步骤如下：

A、外模预处理

在涂抹有脱模剂的外模工作面上涂覆形成胶衣树脂层，胶衣树脂层外表面用手糊成型工艺设置织物树脂层，织物树脂层表面均布有石英砂；

B、浇注结构搭建

将预处理后的外模套装在FRP管外围，两者之间形成聚合物砼的浇注空间，在浇注空间中设置有环形的骨架网和加强网；

C、浇注成型

向浇注空间中浇注聚合物砼，成型后拆除外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道。

所述的步骤A中，石英砂颗粒直径为0.9-1.6mm。

所述的步骤B中，骨架网为钢筋网或玻璃钢筋网，网状结构的网孔规格为100mm×100mm至200mm×200mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为4-6mm；加强网为环氧树脂材质的方格网，网状结构的网孔规格为40mm×40mm至60mm×60mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为3-5mm。

所述的步骤C中，玻璃钢增强聚合物高压管道的内壁上涂覆设置一层内衬层，内衬层为手糊成型工艺制备的织物胶衣层。

所述的步骤C中，聚合物砼的浇注采用分层浇注，并且浇注时进行振动，振动机采用高频振动机或附着式气动振动机，工作转速为8000r/min-12000r/min；在高度方向每0.5米安装一个振动机，通过变频控制柜控制振动机，每5min浇注1吨聚合物砼，按照进料高度逐层浇注。

所述的聚合物砼按质量百分比计，包括骨料91.5-94％，树脂粘合剂、助剂共计6-8.5％，所述骨料包括质量比为(20-30):(30-40):(12-16):(12-16):(5-10):(3-8)的3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂。

所述的助剂包括占树脂粘合剂质量百分比为0.1-0.6％的促进剂、0.2-3％的偶联剂、0.01-0.05％的阻聚剂以及1-2.5％的固化剂。

所述的聚合物砼的制备过程如下：

a、骨料混合：将3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂按配比输送至混合机中进行混合，形成混合骨料，备用；

b、树脂的处理：向粘度为200-250的树脂粘合剂中加入偶联剂，搅拌混合，然后加入阻聚剂，搅拌混合，然后加入促进剂，搅拌混合3-5min；

c、聚合物砼浆料的制备：将混合好的树脂加入到计量罐中，向计量罐中加入固化剂，搅拌3min，然后将计量罐中的树脂与步骤a中计量好的混合骨料在搅拌罐中进行搅拌均匀，得到聚合物砼浆料。

所述的步骤b中，在添加偶联剂之前加入柔性树脂，搅拌混匀，柔性树脂的用量为树脂粘合剂质量的3-11％。

所述的步骤c中，树脂与混合骨料混合并搅拌过程即为凝胶的过程，凝胶时控制环境温度为18-25℃，湿度为50-55％，凝胶的时间控制在60min-90min。

本发明的有益效果是：

本发明聚合物砼的制备方法设计，通过该种混合方式可以增强各骨料成分间的混合均匀度，可进一步提高密实性，以便进一步提高附着力。本发明采用粘度为200-250的树脂，先后加入促进剂、偶联剂、阻聚剂混合后，最后加固化剂，目的是促进固化反应和一些化学反应，形成桥键，从而缓解内应力，减少微裂纹的形成，避免潜在危害和慢性迫害，也能改善固化物的结构，抵抗裂纹扩展、防止微裂纹起裂。

本发明通过骨料成分及骨料粒径、骨料成分比例的搭配和设计，使得聚合物砼材料PC中树脂粘合剂的用量降低为＜8％。本发明各成分的用量及骨料的粒径、骨料的材料的选择是经过研究实践所获得的。在研究的过程中，我们发现树脂含量的高低是由骨料的粒径及骨料成分、比例所影响的，打破了之前所认为的影响因素树脂的种类和性能，这是解决树脂用量的关键，是降低树脂用量的决定性因素，由于该本质影响因素的发现，本发明通过骨料成分及骨料粒径、骨料成分比例的搭配和设计使得聚合物砼材料PC中树脂粘合剂的用量降低为＜8％，打破了现有技术聚合物砼材料PC中树脂用量不能实现＜8％的格局。

本发明骨料的设计能够改善聚合物砼材料的绝缘性能和防腐性能，骨料通过树脂的固化将其固定在多相结构中，再通过与固化剂的配合，提高聚合物砼材料的韧性，从而使得聚合物砼具有良好的抗冲耐磨性能和耐久性。本发明骨料成分、比例及粒径的控制还具有提高聚合物砼的密实性、强度的作用。

本发明促进剂的加入可以促进固化反应的进行，且对固化物的性能无影响，同时与柔性树脂的结合，在固化物内部形成多相结构，可进一步提高固化物的韧性和抗冲击能力，起到增塑、增韧的作用。

本发明聚合物砼材料可用于多方面，例如可应用于海底，浇注时不离析、不分散，固化速度快，粘结性强，固化后有优良的抗压、抗剪、抗冲击强度、抗海水腐蚀能力，在模拟海水(3％NaCl溶液)中浸泡40天，无开裂，无脱落，满足海洋管道的要求。可应用于电气绝缘管道，绝缘性好，表面电阻率达2.37×10¹⁵。还可用于给排水管道、排污管道、FRP管道、PCCP管道、高铁、酸解槽等方面。

本发明由于树脂的用量减少了，因此成本大幅度降低，再结合所使用的骨料都是廉价易得的原料，进一步降低了成本。

附图说明

图1是本发明中FRP管道的结构示意图。

附图中，101、骨架网，102、加强网，2、聚合物砼层，3、FRP管，401、胶衣树脂层，402、织物树脂层，5、粘结加强层，6、内衬层。

具体实施方式

本发明涉及一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，该成型工艺以FRP管3作为内模、并与外模相配合形成聚合物砼的浇注空间，成型后脱去外模，得到聚合物砼型FRP管道，制作过程包括外模预处理、浇注结构搭建以及浇注成型，具体细节通过具体实施例进行阐述。

实施例1，如图1所示，FRP管道的结构由内到外依次包括内衬层6、FRP管3、带有骨架网101和加强网102的聚合物砼层2、石英砂组成的粘结加强层5、织物树脂层402以及胶衣树脂层401，FRP管3为整体管道的内胆，采用缠绕成型工艺预制FRP管，采用定长缠绕或连续缠绕两种方法，两种方法采用同样的铺层，铺层结构如下：一层表面毡交叉缠绕两层玻璃纤维纱，采用食品级树脂浸润，厚度1.5-2.5mm，然后环向缠绕2-4层玻璃纤维纱，采用加强树脂浸润，厚度2.5-3.5mm。基于上述结构和工艺，玻璃钢增强聚合物高压管道成型工艺的具体操作步骤如下：

A、外模预处理

在涂抹有脱模剂的外模工作面上涂覆形成胶衣树脂层401，胶衣树脂层401外表面用手糊成型工艺设置织物树脂层402，织物树脂层402表面均布有石英砂，所述的步骤A中，石英砂颗粒直径为0.9mm-1.6mm；

B、浇注结构搭建

将预处理后的外模套装在FRP管3外围，两者之间形成聚合物砼的浇注空间，在浇注空间中由内向外依次设置有环形的骨架网101和加强网102，并借助限位组件将两个网状结构进行限位固定，避免浇注过程中发生位移，加强网102固定设置在距离外模内壁20mm以内的空间中，骨架网101为钢筋网或者玻璃钢筋网，网状结构的网孔规格为150mm×150mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为5mm，骨架网101还可以选用复合材料，如高强、耐高温、高性能的聚合物，复合材料中优先考虑高温酚醛树脂、玄武岩纤维；加强网102为环氧树脂材质的方格网，网状结构的网孔规格为50mm×50mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为4mm，环氧树脂中设置有无碱玻璃纤维作为增强体，形成玻璃纤维增强环氧树脂，加强网102能够显著提高成型管道的环向抗拉强度；

C、浇注成型

向浇注空间中浇注聚合物砼，聚合物砼的浇注采用分层浇注，并且浇注时进行振动，振动机采用高频振动机或附着式气动振动机，工作转速10000r/min；在高度方向每0.5米安装一个振动机，通过变频控制柜控制振动机，每5min浇注1吨聚合物砼，按照进料高度逐层浇注，这种浇注方式能够排出聚合物砼中的气泡，降低孔隙率，提高管道的密实度，浇注后形成聚合物砼层2，织物树脂层402表面均布的石英砂分别与织物树脂层402和聚合物砼层2镶嵌固定，石英砂构成了织物树脂层402与砼之间的粘结加强层5，织物树脂层402与聚合物砼层2之间的粘结强度显著提高，成型后拆除外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道，管道内壁上涂覆设置一层内衬层6，内衬层6为手糊成型工艺制备的织物胶衣层，如果应用于输送饮用水的场合，那么采用食品级树脂和表面毡或者短切毡进行交替铺设形成内衬层6，如果应用于输送碱性液体场合，内衬层6采用乙烯基树脂和聚酯表面毡交替铺设成型，如果应用于输送酸性液体的场合，内衬层6采用乙烯基树脂和玻璃表面毡交替铺设成型，内衬层6还能够提高内壁的光滑度，减少输送阻力，减缓管道内壁磨损，此外，无论是FRP管3内壁还是内衬层6作为内壁，都能够提高水对管道内壁的侵蚀、渗透等不良作用，显著减缓管道使用过程中开裂、破损情况的发生，并且，相比于普通的砼管道内壁，本发明中管道内壁的抗冲击性得到了显著改善。

聚合物砼的制备原料按质量百分比计，包括骨料92％，树脂粘合剂、助剂共计8％，所述骨料包括质量比为25:35:14:14:7:5的3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂。其中，骨料的各个成分中含水率≤0.2％、含泥量≤0.5％、含硅量≥90％，耐酸度≥95％，质地坚硬、圆润，含水率的控制是为了提高粘接性，防止固化时水散发造成开裂，同时还可以提高聚合物砼浆料的耐久性，解决现有砼耐久性差的问题；树脂粘合剂选用粘度200-250的树脂，如果采购的树脂粘度过高，可以通过加入苯乙烯的方式来降低粘度至要求值，助剂包括占树脂粘合剂质量百分比为0.3％的促进剂、1.5％的偶联剂、0.025％的阻聚剂以及1.5％的固化剂，以上述原料为基础，聚合物砼的制备过程如下：

a、骨料混合：将3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂按配比输送至混合机中进行混合，形成混合骨料，备用，这一步操作时为了使骨料更加均匀，将3/8-4目石英砂和4-10目石英砂加入到一个混合机中进行混合并备用，将10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂加入到另一个混合机中搅拌混合并备用，最后再将两个混合机的物料输送至一个混合机中进行共同混合均匀，形成混合骨料，备用；

b、树脂的处理：向粘度为200-250的树脂粘合剂中依次加入促进剂、柔性树脂、偶联剂和阻聚剂，树脂粘合剂选自邻苯型不饱和聚酯树脂，偶联剂选自硅烷偶联剂和/或有机硅化合物，阻聚剂选自对苯二酚或甲基氢醌，促进剂选自浓度为1％的钴液，每加入一种物料搅拌混合3min，促进剂的添加是为了提高加工效率，柔性树脂是根据是否需要进一步提高抗断裂能力而选择性添加的，柔性树脂为邻苯柔性树脂，邻苯柔性树脂的用量为树脂粘合剂质量的5％-9％，偶联剂的加入是用于改善石英砂和树脂等不同物料之间的粘合性，提高整体强度20％以上，而阻聚剂则是为了减缓聚合进程，使得各个物料有充分时间混合均匀，实现最终产品均质的效果，不添加阻聚剂时，材料进行凝胶时的温度可达到35-40℃，该温度下反应不易控制，造成制备的材料性能差、不合格；

该步操作中，为了增强管道的阻燃性，在添加阻聚剂和促进剂之间，向树脂粘合剂中加入占其质量比例为0.5-7％的阻燃剂，本实施例中优选为3％，阻燃剂选用200-800目的氢氧化铝颗粒，加入后搅拌均匀；

c、聚合物砼浆料的制备：将混合好的树脂加入到计量罐中，向计量罐中加入固化剂，搅拌3min，固化剂选自过氧化甲乙酮，固化剂是所有助剂中最后进行添加的，主要是为了避免过早添加固化剂造成的浆料过早固化，而添加固化剂则是为了在各个组分之间形成桥健，从而缓解内应力，减少裂纹的形成，避免潜在危害和慢性迫害，也能够改善固化物的结构，抵抗裂纹扩展，防止微微裂纹起裂，固化剂添加后，将计量罐中的树脂与步骤a中计量好的混合骨料在搅拌罐中进行搅拌均匀，树脂与混合骨料进行凝胶，凝胶时控制环境温度为18-25℃，湿度为50-55％，凝胶的时间控制在60-90min，得到聚合物砼浆料，凝胶环境温度和环境湿度的控制，是为了保证凝胶的稳定性，而凝胶的稳定性直接影响后续浇注成管道时聚合的效果，如果凝胶的稳定性不好，在后期浇注聚合时，聚合温度会过高，反应不易控制，更为严重的是直接发生管道开裂或爆裂的情况，管道无法成型；

本发明通过骨料成分、骨料粒径以及骨料成分比例的搭配和设计，使得聚合物砼材料PC中树脂粘合剂的用量降低至8％以下，本发明中各成分的用量、骨料的粒径、骨料的材料选择均是经过研究实践获得的，在本发明技术方案中，树脂粘合剂含量的高低是由骨料成分、比例及其粒径所影响的，这与现有技术中认为树脂的种类和性能是决定树脂用量的决定性因素的思想是不同的，本发明通过骨料成分、比例及其粒径的搭配使得聚合物砼材料PC中树脂粘合剂用量降低至8％以下，打破了现有技术中聚合物砼材料中树脂用量居高不下、无法低至8％的高成本现状。

本发明中涉及的骨料，能够改善聚合物砼材料的绝缘性能和防腐性能，骨料通过树脂的固化过程固定在多相结构中，再通过与固化剂的配合，提高聚合物砼材料的韧性，从而使得聚合物砼具有良好的抗冲击、耐磨和耐久性，聚合物砼的整体强度随密实度的提高而显著增强；本发明中促进剂的加入可以促进固化反应的进行，且对固化物的性能物影响，同时与柔性树脂的结合，在固化物内部形成多相结构，可进一步提高固化物的韧性和抗冲击能力，起到增塑、增韧的作用。

本发明中的聚合物砼材料可用于多种场合：

1)可用于河底、海底场合，浇注时不离析、不分散，固化速度快，粘接效果好，固化后有较好的抗压、抗剪、抗冲击强度、抗海水腐蚀能力，在模拟海水(3％NaCl溶液)中浸泡40天，无开裂、无松散、无脱落，满足河道、海洋管道的要求；

2)可用于电气绝缘管道，绝缘性好，表面电阻率达2.37×10¹⁵；

3)可用于给排水管道、排污管道、FRP管道、PCCP管道、高铁、酸解槽等场合；

4)在制备聚合物砼材料时，如果有较强的耐冲击要求，可以在原料中添加短纤维材料，添加后制备的聚合物砼材料可用于高冲击力场合；

5)在制备聚合物砼材料时，如果有导电性能的要求，那么可以在原料中添加导电材料，例如石墨，添加后制备的聚合物砼材料可以用于导电的场合。

6)在露天条件下使用的管道，需要原料中添加防紫外线剂和阻燃剂，防紫外线剂选用滑石粉，具有较好的防紫外和防辐射能力，阻燃剂选用氢氧化铝，氢氧化铝是无机的，也是良好的填料。

实施例2，与实施例1不同的实施方式，其中，聚合物砼的制备原料按质量百分比计，包括骨料93％，树脂粘合剂、助剂共计7％，所述骨料包括质量比为20:30:12:12:5:3的1-3目石英砂、5-8目石英砂、15-25目石英砂、40-60目石英砂、80-110目石英砂、150-200目石英砂，助剂为占树脂粘合剂1.7％的固化剂，0.27％促进剂，1.3％偶联剂，0.024％阻聚剂。

实施例3，与上述两个实施例不同的实施方式，其中，聚合物砼的制备原料按质量百分比计，包括骨料92.5％，树脂粘合剂、助剂共计7.5％，所述骨料包括质量比为30:40:16:16:10:8的1.5-2目石英砂、6-7目石英砂、18-23目石英砂、45-55目石英砂、90-100目石英砂、180-230目石英砂，助剂为占树脂粘合剂1.5％的固化剂，0.2％促进剂，1％偶联剂，0.02％阻聚剂。

Claims (10)

1.一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，该成型工艺以FRP管(3)作为内模、并与外模相配合形成聚合物砼的浇注空间，成型后脱去外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道，成型工艺操作步骤如下：

A、外模预处理

在涂抹有脱模剂的外模工作面上涂覆形成胶衣树脂层(401)，胶衣树脂层(401)外表面用手糊成型工艺设置织物树脂层(402)，织物树脂层(402)表面均布有石英砂；

B、浇注结构搭建

将预处理后的外模套装在FRP管(3)外围，两者之间形成聚合物砼的浇注空间，在浇注空间中设置有环形的骨架网(101)和加强网(102)；

C、浇注成型

向浇注空间中浇注聚合物砼，成型后拆除外模，得到玻璃钢增强聚合物高压管道。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤A中，石英砂颗粒直径为0.9-1.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤B中，骨架网(101)为钢筋网或玻璃钢筋网，网状结构的网孔规格为100mm×100mm至200mm×200mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为4-6mm；加强网(102)为环氧树脂材质的方格网，网状结构的网孔规格为40mm×40mm至60mm×60mm，网状结构的纵向筋和横向筋直径为3-5mm。

4.根据权利要求1所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤C中，玻璃钢增强聚合物高压管道的内壁上涂覆设置一层内衬层(6)，内衬层(6)为手糊成型工艺制备的织物胶衣层。

5.根据权利要求1所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤C中，聚合物砼的浇注采用立式高频振捣浇注工艺，高频振捣所使用的振动机为高频振动机或附着式气动振动机，工作转速为8000r/min-12000r/min；在高度方向每0.5米安装一个振动机，通过变频控制柜控制振动机，每5min浇注1吨聚合物砼，按照进料高度逐层浇注。

6.根据权利要求1所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的聚合物砼按质量百分比计，包括骨料91.5-94％，树脂粘合剂、助剂共计6-8.5％，所述骨料包括质量比为(20-30):(30-40):(12-16):(12-16):(5-10):(3-8)的3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂。

7.根据权利要求6所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的助剂包括占树脂粘合剂质量百分比为0.1-0.6％的促进剂、0.2-3％的偶联剂、0.01-0.05％的阻聚剂以及1-2.5％的固化剂。

8.根据权利要求6所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的聚合物砼的制备过程如下：

a、骨料混合：将3/8-4目石英砂、4-10目石英砂、10-30目石英砂、30-70目石英砂、70-120目石英砂、120-250目石英砂按配比输送至混合机中进行混合，形成混合骨料，备用；

b、树脂的处理：向粘度为200-250的树脂粘合剂中加入偶联剂，搅拌混合，然后加入阻聚剂，搅拌混合，然后加入促进剂，搅拌混合3-5min；

c、聚合物砼浆料的制备：将混合好的树脂加入到计量罐中，向计量罐中加入固化剂，搅拌3min，然后将计量罐中的树脂与步骤a中计量好的混合骨料在搅拌罐中进行搅拌均匀，得到聚合物砼浆料。

9.根据权利要求8所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤b中，在添加偶联剂之前加入柔性树脂，搅拌混匀，柔性树脂的用量为树脂粘合剂质量的3-11％。

10.根据权利要求8所述的一种玻璃钢增强聚合物高压管道的成型工艺，其特征在于，所述的步骤c中，树脂与混合骨料混合并搅拌过程即为凝胶的过程，凝胶时控制环境温度为18-25℃，湿度为50-55％，凝胶的时间控制在60min-90min。