有机玻璃管

有机玻璃管（精选九篇）

有机玻璃管 篇1

1 修复方法

施工过程中先用进行管外注浆止水, 后采用纯玻璃钢补强。管外注浆压力注浆是将水泥浆通过压浆泵、注浆管注到管外土层中, 以填充、渗透和挤密等方式, 驱走土体裂隙中或土颗粒间的水分和气体, 并填充其位置。硬化后将岩土胶结成一个整体, 形成一个强度大、压缩性低、抗渗性高和稳定性良好的新的土体, 从而使地基得到加固, 防止渗漏和不均匀沉降。然后采用纯玻璃钢进行加固处理 (下文以DN1810玻璃钢夹砂管作为论证材料) 。

2 注浆参数确定

注浆孔各项参数如下: (参数引用DBJ15-38-2005《建筑地基处理技术规范》) 。

2.1 孔距

根据表《土层中浆液有效扩散距离或扩散半径》。

根据处理管段上部的土层情况, 按中砂土选择扩散半径, 取值为0.8, 注浆固结体需交接, 因此扩散系数取1.5倍扩散半径。

R1———浆液的有效扩散半径 (m) , 中 (粗) 砂层取0.8m。

2.2 交圈厚度

本方案选取1.0m的孔距, 比计算孔距小。

2.3 每孔注浆量

根据P90表B.0.1珠江三角洲主要软土物理性质指标取广州市区8.0～8.2m取样深度的孔隙比为1.85, 孔隙率

式中:

Q—每孔注浆量 (L) ;

α—浆液损耗系数 (一般取1.15～1.30) ;

β—浆液填充系数 (一般取0.4～0.95) ;

R—浆液有效扩散半径;

H—注浆孔深度;

n—土的孔隙率。

2.4 水泥用量

水灰比取1:1, 即水泥100kg, 加水100kg, 水的体积为100L, 水泥的体积为100/3=33.3L, 水泥浆体积为100+33.3=133.3L。每孔注浆量为352L, 即水泥用量为264kg。

2.5 注浆压力

在淤泥或淤泥质土的经验数值为0.1～0.4MPa, 在砂土中的经验数值为0.2～1.5MPa, 在黏性土中的经验数值为0.3～0.6MPa, 本工程位置上部分为淤泥质土, 下部分为黏性土, 因此最大注浆压力取1.0MPa, 也就是终止浆压为1.0MPa。

2.6 流量

注浆流量适宜为7～35L/min, 对于加固注浆, 可取流量较小值;对于充填注浆取较大值, 因此本工程取值为15L/min。根据《水工建筑物水泥灌浆技术规范》 (SL62-94) 中对稳定流量的规定如下:在稳定压力下每3～5min测度一次压入流量, 连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%或最大值与最小值之差小于1L/min时, 本试验阶段结束, 取最终值作为计算值。

3 注浆工艺

采用在管壁开孔, 注浆加固管外30～50cm范围内的土体, 注浆钻孔直径d42mm, 采用灌浆泵注浆, 使其密实, 达到外防水的作用。

机具包括:钻枪、注浆泵[75kw的100/15 (C-232) 隔膜式单作用型砂浆泵, 最大泵压15MPa、最大泵量100L/min]、浆液搅拌机、轴流风机、钢丝刷、棉纱、胶手套、灰刀、灰桶、扳手、手钳。所有压力管道及压力设备都必须是合格的, 保养良好的产品。用螺牙止浆塞进行封缝和埋设注浆管。

图3中:

⑴注浆孔钻孔间距1m, 注浆压力为压浆难以压进为止且不大于1MPa, 当压力突然上升或从孔壁溢浆, 应立即停止注浆, 估计水泥用量约264kg/孔。

⑵渗透深度为管壁外30cm。

⑶注浆工作必须连续工作, 不能无故中断。

⑷注浆浆液采用普硅32.5R水泥配制。

⑸工艺流程:

(1) 钻孔:根据方案要求, 对准孔位, 要求孔位偏差不大于2cm;

(2) 注入浆液:成孔后, 开始注浆, 注浆压力1Mpa;

(3) 拔出注浆管, 封堵注浆孔:采用螺牙止浆塞封堵注浆孔, 防止浆液流失;

(4) 冲洗注浆管:注浆完毕, 应立即用清水冲洗注浆管, 必须采取适当措施处理废水, 搞好清洁工作;

(5) 转入下一孔位施工。

4 补强工艺

根据玻璃钢夹砂管道施工及验收规程《最新玻璃钢与玻璃钢制品创新配方设计与生产加工新工艺、新技术、新材料应用及质量检测技术新标准实用手册》, 针对玻璃钢可设计性强, 可修复性好的特点, 相应的现场手糊修补方法如下:

⑴将所有已破坏铺层完全剥离, 考虑管外部土压的影响及结构的整体性, 剥离深度不大于45mm, 并将其周围100mm范围打磨干净。

⑵清除表面粉尘和杂物, 用丙酮擦拭表面, 注意表面不能残留任何水分和水汽。考虑到此管材的破损比较严重, 损坏处可能轻微渗水, 采用早凝树脂先把渗漏处固化, 保持修复处干燥。

⑶将打磨过的表面均匀刷一层不饱和聚酯树脂, 然后按玻璃纤维表面毡2层+玻璃纤维针织毡2层+ (玻璃纤维布5层+玻璃纤维针织毡1层) N层+玻璃纤维针织毡2层铺层混合不饱和聚酯树脂填充到剥离部位并与管道内壁平齐。若铺层厚度大于30mm则应分多次完成铺层厚度, 并应重复前1、2步骤。铺层过程中应注意层与层之间的错位补强。

⑷将大块玻璃纤维针织毡5层混合不饱和聚酯树脂完全覆盖剥离部位和其周围打磨部分。

⑸用烤灯加热使其固化。注意此过程中修补范围不能沾任何水分, 否则不能达到预期强度, 使用烤灯过程中注意防火。

⑹将修补部分用磨光机和各目数的砂纸打磨光滑, 降低表面的摩阻系数。

⑺所有工作完成后清理现场, 将剥离的玻璃钢碎块及修补过程中丢弃的杂物和辅料带离管线, 保证管道内无杂物。

手糊玻璃钢是玻璃钢成型工艺中使用最早的一种工艺方法。可以根据设计要求, 合理的利用增强材料, 随意局部增强, 操作方便, 简单易行。

所采用的玻璃钢增强材料玻璃纤维针织毡和玻璃纤维布都可以看作是正交织物, 理论上可以将玻璃钢铺层看成是是双向层和板, 其弹性常数和强度的预测可以由相关公式计算得出 (此略) 。

由此理论公式其实可以直观看出, 因为纯玻璃钢弹性模量E远大于夹砂玻璃钢的弹性模量, 在外形尺寸相同的情况下其环刚度肯定大于管材设计刚度。

5 小结

玻璃钢夹砂管顶管方案 篇2

论文上传：lucien

论文作者：吕卫 宋波

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摘要：沈阳市崇山路道路改造工程在配套的排水改造项目中，无开挖地下顶进玻璃钢夹砂管管径DN2100㎜的长度1650米，管径DN1550㎜的长度390米。崇山路玻璃钢夹砂顶管工程顶力之大，顶进距离之长属国内首创，现从玻璃钢夹砂顶管管材的应用背景、管材特性、设计技术、生产工艺和产品质量控制等方面

做一技术总结。

关键词：玻璃钢夹砂管 顶管

一、应用背景

崇山路上有两座立交桥，在道路改造工程排水改造项目实施过程中，受立交桥下已有的地下管网和构筑物等地下障碍很多，以及立交桥引桥高度的影响，无法采用地面开槽铺设管涵施工方法，而只能采取无开挖地下顶进的施工方案，同时又考虑到顶进过程中不能对桥墩基础造成影响，应保证管材与桥墩之间的最小安全距离，只有玻璃钢夹砂管材内壁光滑，流通能力高，输送相同流量的液体其管径较其它管材的管径要小得多，更能确保桥墩基础不受影响。经过专家从技术、经济、施工等方面进行反复论证，最终决定使用玻璃钢夹砂管作为

顶管，在保证流量的前提下，将管径缩小到DN2100㎜和DN 1550㎜。

二、管材特性

沈阳市崇山路道路改造工程排水管DN2100㎜和DN1550㎜玻璃钢夹砂管顶管施工项目于2002年6月15日开始施工，截止到8月31日全部完工，平均单坑日进度6米以上，在施

工过程中体现了许多优点，具体如下：

1.施工进度快：单坑日进度不低于6米，而同流量砼管日单坑进度小于1米，钢管为

2米。

2.顶力小：外表光滑，顶力小。目前最大顶力为DN2100㎜的800t，DN 1550㎜的500t。

而砼管外表粗糙，顶力大，顶进难度大，顶进机械要求高。

3.流通能力高：玻璃钢夹砂管的内壁非常光滑，粗糙度为n=0.0084，流量系数Cp=150，明显高于钢管、铸铁管、砼管的流量系数Cp=100。因此，压力相同时，玻璃钢夹砂管的管

径可以减小一档，降低造价。

4.由于管径缩小（由DN2400㎜DN2100㎜），管壁薄（砼管为200㎜，而玻璃钢夹

砂管仅为55㎜），避免了顶管过程中与其它管线交叉而形成的困难。

5.纠偏简单：由于自身重量轻，管节之间采用钢套管连接，待施工完后再用手糊玻璃钢

密封，使得顶进过程中纠偏特别容易。

6.连接方便：各工作坑或接受坑内管的连接由于不是整数长度，如用砼管则不可能截成任意长度对接，如用钢管则两条焊缝也需24小时才能焊接，而采用玻璃钢夹砂管则可截取

任意长度，并在2~3小时内连接好。

7.可带土顶进：由于外表光滑，顶力较小，即使带土顶进顶力也不是太大，在实际施工中，由于土质大部分是砂土，以及考虑对桥墩的影响，一般采用带土顶进方法通过，而如采

用砼管则势必低头而无法通过。

8.管外表与土之间基本无内聚力，顶进中不死管。而砼管外表与土之间有很大的内聚力，顶进中易死管。

9.使用机具简单，不需大型设备。重量轻，运输吊装费用少。本次工程卸管使用小型汽车吊车，下管用5t电动葫芦，顶进用2个400t油压千斤顶，大大节省了机具费用。而砼管的重量约是玻璃钢夹砂管的10~15倍，运输、吊装费用高。

10玻璃钢夹砂管耐腐蚀性能优异，寿命长，几乎不用保修，无需维护，确保使用寿命

达50年。而砼管的钢筋锈蚀问题严重影响使用寿命。

玻璃钢夹砂顶管在使用过程中显示出了众多的优越性，尤其是在城市立交桥下面这样复杂地段的试用成功，解决了传统管材所不能解决的技术困难，值得总结经验，大力推广使用。

三、设计技术

1.设计参数的确定

根据沈阳市崇山路顶管工程玻璃钢夹砂顶管的具体使用条件，确定管径、管材刚度级别、土壤参数、设计载荷（包括内压、负压、管顶垂直静土压载荷、地面车辆活载荷、堆土载荷）

等设计参数，为玻璃钢夹砂顶管的结构计算提供理论计算依据。

2.玻璃钢夹砂顶管结构计算

依据已选定的设计条件和设计参数，按照我国建材行业标准《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂加砂压力管》（JC/T838-1998）和《顶管施工技术》以及计算机非线性有限元数值计算进行玻璃钢夹砂顶管的结构计算。管材结构计算包括顶力强度、刚度、挠曲变形、弯曲强度、稳定性分析、地震强度分析等计算、分析与校核，本工程设计各项性能指标全部达到国家有关玻璃钢夹砂管道标准要求，以及本工程玻璃钢夹砂顶管的特殊要求，主要技术参数和检验

报告见附件。

四、生产工艺

采用纯玻璃钢与玻璃钢夹砂复合增强一体化的设计方案和生产工艺。

1、工艺路线

采用12米长定长缠绕玻璃钢夹砂管生产工艺，在每根模具上一次生产出4段3米长的玻璃钢夹砂顶管。按设计层数间断夹砂，每段顶管两端300~800mm的纯玻璃钢部分采用玻璃纤维织物局部增强的办法实现。每段顶管间采用特制的设备磨削和切断，修整达到规定形状

和尺寸后一次性脱模即可。生产效率完全可以满足规定的工程进度要求。

2、生产设备

采用本公司新购置的2套可生产DN3000mm玻璃钢夹砂管微机自动控制生产线，针对玻璃钢夹砂顶管的特点和具体要求，对缠绕设备稍加改造，添置必要的磨削修整装置即可生产

出达到规定要求的玻璃钢夹砂顶管。

3、生产工艺

1）确定并认可设计生产方案；

2）内衬制作；

3）玻璃纤维环向和交叉缠绕内结构层；

4）用特种夹砂布间断夹砂（夹砂布在纯玻璃钢处连续但停砂）；

5）每层夹砂后及时制作纯玻璃钢部分；

6）玻璃纤维环向和交叉缠绕外结构层；

7）修整、切断达到统一的形状和规定的尺寸；

8）脱模，检验合格后上钢套环出厂。

五、质量控制

1、玻璃钢夹砂顶管企业标准

目前玻璃纤维增强塑料夹砂管行业标准中，无“顶管”品种，且在“初始挠曲性的径向变形率”数据中，仅规定了10000N/m2以下管刚度等级。为满足市场需要与用户要求，现参照行业标准，结合顶管产品的特点，制定该产品的企业标准，作为组织生产与质量检验的依

据。玻璃钢夹砂顶管企业标准附后。质量控制要点

2.1 原材料

必须按规定要求选择优质原材料，特别是原材料的工艺性，这在顶管制作中格外重要。

2.2严格执行工艺

每层间断夹砂后及时将纯玻璃钢处用玻璃纤维织物补平，与砂层形成良好的连接状态，以保证端面轴向压力的传递和延伸，使管尽可能整体受力不致损坏；否则，如夹砂数次后再补纯玻璃钢，纯玻璃钢和砂层间势必出现界面，形成挤压和剪切，导致管材于纯玻璃钢和加

砂层交界处损坏。

2.3 外表面光滑程度

必须十分重视和保证顶管的外表面光滑程度。只有外表面达到一定的光滑程度，才能减

小摩擦阻力和顶力，使管材顺利顶进不致损坏。

2.4 端面垂直度

必须满足管材端面垂直度要求并使误差尽可能小，只有这样，才能保证顶进方向，保持

顶力不致过快增加。

2.5纯玻璃钢部分的长度必须保证或略有增加，其固化度应达到规定的要求（固化度对

夹砂段同样重要），以满足实际施工顶力的要求。

2.6针对崇山路玻璃钢夹砂顶管这一工程项目，我们编制了《顶管连接部位尺寸单》、《顶管产品外观及尺寸质检验收标准》、《顶管接头内壁密封裱糊处理作业及验收规程》和《顶管技术设计书》等质量计划性文件来指导生产和施工，以便进一步确保产品质量和施工

质量。

3、连接方式：管段间采用嵌入式钢套环连接定位方式，顶进到位后内糊玻璃钢口密封。顶管两端车出一个平台，以便钢套环套上管端后钢套环外径与顶管本身外径一致。外钢套环内塞厚度相当的高弹性止水橡胶环，两管对接后起封水作用，钢套环起定位作用，并增加部

分抗不均匀沉降的能力。

结束语

有机玻璃管 篇3

【摘要】目的探讨延长胃管插入洗胃抢救有机磷中毒的护理。方法随机选择2010年9月-2011年11月在我院抢救的有机磷中毒患者129例，按照插入胃管长度不同分为两组，延长组（75例）和传统组（54）组，对比两组抢救结果。结果延长组抢救时间明显短于传统组（平均缩短约10min），<0.01；延长组死亡率（4例，约5.33%）明显低于传统组（10例，约18.52%），<0.05。结论将胃管插入深度延长并反复洗胃，能够有效降低死亡率，提升临床抢救成功率，值得在临床进一步推广及应用。

【关键词】延长胃管；有机磷中毒；急救；护理

【中图分类号】R459.7【文献标识码】B【文章编号】1005-0019（2015）01-0384-01

有机磷中毒不仅起病急，发展快，病情危急，而且若未能及时进行有效救治，或得到有效护理以控制病情进展，可导致患者出现呼吸困难、胸闷、重度昏迷，甚至死亡等严重不良后果[1]。我院通过延长胃管插入患者机体内长度，使其胃肠道内的有机磷农药得到及时彻底清除，取得了不错的临床效果，现报道如下。

1.资料与方法

1.1一般资料

随机选择2010年9月-2011年11月在我院抢救的有机磷中毒患者129例，按照插入胃管长度不同分为两组，延长组和传统组。延长组75例，男29例，女46例，年龄15岁-55岁，平均年龄（31.0910.25）岁；有机磷中毒量28ml-290ml，平均有机磷中毒量（7226）ml。传统组54例，男20例，女34例，年龄16岁-53歲，平均年龄（30.8711.14）岁；有机磷中毒量27ml-300ml，平均有机磷中毒量（7130）ml。所有患者均在临床确诊为有机磷农药重度中毒（均为口服途径），主要包括乐果、内吸磷、甲胺磷等。所有患者家属均自愿同医院签订知情同意书。

1.2治疗方法

传统组采用插入胃管单次洗胃的方式进行治疗，胃管插入长度为45cm-55cm，洗胃液为生理盐水（总量约为15L-30L）。延长组将胃管插入长度延长至55cm-70cm，多次洗胃，时间间隔4h，洗胃液为氯化钠溶液（浓度为0.45%），初次洗胃后留置胃管，直至洗出液呈无味澄清状即可结束洗胃；其中，初次洗胃液总量约为15L-30L，反复洗胃次数约为3次-6次，平均次数为（3.741.19）次。两组患者均使用相同洗胃机进行洗胃。所有患者均接受解毒剂及胆碱酯酶拮抗剂进行治疗，同时给予相关支持疗法及相应护理措施。

2.结果

2.1两组患者洗胃时间对比

延长组患者洗胃时间明显短于传统组，平均缩短约10min，差异比较明显，具有统计学意义，<0.01，详见表1。

3.结论

传统洗胃中，胃管插入患者体内长度约为45cm-55cm。但多年的医学研究表明，当插入胃管长度为45cm-55cm时，胃管侧孔并未完全进入胃中，而洗胃液经胃管进入为胃中后也无法漫过胃管侧孔，导致洗胃液流出速度缓慢，洗胃时间长，洗胃后残留液较多，造成洗胃不彻底[2]。本次研究中，将插入患者体内的胃管长度延长至55cm-70cm，使胃管侧孔全部置于胃内，即患者无论采用何种体位，均能够使洗胃液顺利流出，有效缩短洗胃时间，彻底清除胃肠道内有机磷农药，减少抢救后并发症，降低死亡率。延长组患者75例中62例患者洗胃胃管延长之后，应用洗胃机之前，能够有效引流原液。

据医学调查表明，至少约20%的有机磷农药中毒病例死亡原因与洗胃不彻底关系密切。传统治疗中，有机磷农药中毒一般应用单次洗胃，国内有学者指出，单次彻底洗胃后，胃肠道内依然存有大量有机磷农药及成分，其含量与患者血液中含量呈一定的正相关性。据医学研究显示，有机磷农药经胃肠道途径吸收入血后，可通过胃肠道途径再次合成分泌，如此反复，血浆中有机磷农药相关成分含量不断升高，胃肠道分泌量也随之增长。延长胃管反复洗胃能够有效预防反跳现象、中间综合征等[3]，将胃肠道内再分泌合成毒素完全彻底清除出机体，提高抢救成功率。

此外，在抢救过程中，不仅应该注意常规基础护理，还应注意心理护理[4]。护理工作主要包括以下几个方面：（1）加强基础护理，密切观察患者呼吸、心跳等生命体征，监控病情变化，如有变化，应立即报告主治医生，及时对症治疗；（2）做好气管插管、口腔护理及皮肤护理工作，防止感染；（3）同医生及时有效沟通，确定患者能够进食时间及饮食物阶段变化，如中毒后至少24h内应绝对禁食；（4）中毒昏迷患者应避免下床时间过早，尤其是重度中毒恢复期患者，应完全静养，降低心率失常发生率，（2）心理护理，即采取患者及其家属能够接受的语言及动作对其进行心理护理，疏导不良情绪，树立生活信心[5]。

参考文献

[1]郭金华，许丽.药物中毒抢救中不同途径置胃管洗胃效果比较[J].中国保健营养（上旬刊）.2013，23（08）：4216-4217.

[2]姜效灵，马义芳，童容，等.经鼻置胃管在抢救中毒昏迷患者中的应用[J].健康必读（中旬刊）.2012，11（06）：202.

[3]丁韵，王毛雨.不同途径置胃管洗胃对小儿药物中毒抢救体会[J].中外健康文摘，2012（39）：119-120.

[4]杜亚平.急性有机磷农药中毒的救治难点与护理对策[J].基层医学论坛，2014（18）：2392-2393.

我国玻璃钢夹砂管顶管技术的应用 篇4

1 玻璃钢夹砂管顶管(以下简称玻璃钢顶管)制作工艺

玻璃钢夹砂管制作方法主要有三种:离心浇筑工艺,定长缠绕工艺和连续缠绕工艺。连续缠绕工艺因加砂量受到限制,管壁不能太厚,顶力较小,不太适应顶管。适用于顶管的是离心浇筑玻璃钢夹砂管和定长缠绕玻璃钢夹砂管。离心管制作特点是采用短纤维,制作自动化程度高,其特点是利用离心力的作用,使管壁夹砂层均匀密实,抗压强度高,允许顶力大,应成为玻璃钢顶管的首选管材。缠绕管制作特点是采用长纤维,管道断面刚度大,适于埋管。长纤维对提高断面刚度的作用较大,但对提高管道顶力作用不大。在实际应用中为了提高缠绕管的顶力,通常对缠绕管的管端采取加强措施,以适应顶管施工。在欧洲、美国和加拿大等发达国家,采用离心玻璃钢夹砂管的顶管比较普遍。而我国由于离心玻璃钢顶管的生产线少,使用受到限制,采用缠绕玻璃钢顶管比较多,在西安、沈阳、广州、上海等大城市都成功地采用过。

2 玻璃钢顶管的特点

1)玻璃钢夹砂管内壁光滑,粗糙度为0.008 4,流量系数高于钢管、铸铁管、混凝土管的流量系数。因此,压力相同时,输送相同流量的水,玻璃钢夹砂管的管径可以减小,降低造价。

2)玻璃钢顶管单坑日进度不低于30 m,而同流量混凝土管日单坑进度小于10 m,钢管为15 m。

3)玻璃钢夹砂管外壁光滑,顶进摩擦阻力小。而混凝土顶管外表粗糙,顶力大,顶进难度大,顶进机械要求高。

4)由于玻璃钢夹砂管管径缩小,管壁薄,可以避免顶管过程中与其他管线交叉而形成的困难。

5)由于玻璃钢夹砂管自身重量轻,管节之间采用钢套管连接,待施工完后再用手糊玻璃钢密封,使得顶进过程中纠偏特别容易。

6)顶管各工作坑或接收坑内管的连接由于不是整数长度,如用混凝土管则难以截成任意长度对接,如用钢管则两条焊缝也需24 h才能焊接,而采用玻璃钢夹砂管则可截取任意长度,并在2 h～3 h内连接好。

7)玻璃钢夹砂管外表面是富树脂层,空隙非常少,几乎没有吸附,停顶后初始顶力较小,避免停顶后产生抱死现象。而传统的混凝土管外表与土之间有很大的内聚力,顶进中易死管,而且停顶后表面孔隙吸附容易产生抱死现象。

8)玻璃钢夹砂管重量轻,是钢管的1/4倍,是混凝土管的1/10倍～1/15倍。在管材吊装和管沟施工上,玻璃钢夹砂管的成本低于钢管和混凝土管。

9)玻璃钢夹砂管耐腐蚀性能优异,寿命长,且无需采用阴极保护。而钢管和混凝土管必须采用防化学腐蚀的措施以满足工程要求。

3 玻璃钢顶管的主要技术参数

为了确保玻璃钢夹砂管顶管的使用性能,对一些关键的技术参数进行了研究,有关重要的技术参数如下[1,2]。

1)顶力。

顶力计算公式为:

F=F0+πDLf。

其中,F为总顶力,kN;F0为顶管机的迎面阻力,kN;D为玻璃钢管外径,m;L为设计顶进长度;f为管道外壁与土的平均摩阻力,kN/m2。

2)尺寸要求。

管道单根长度为(3 000±10)mm,管外径尺寸误差小于±5 mm。

3)刚度要求。

管环向刚度SN>15 kPa,抗A水平挠曲大于$18\sqrt[3]{1250/S{\rm N}}\%$,抗B水平挠曲大于$30\sqrt[3]{1250/S{\rm N}}\%$。

若对于顶管工程要求的刚度较大,且对玻璃钢顶管的壁厚有限制,实际制作出来的管刚度将远大于15 000 Pa。参照挠曲水平的类似计算方法,将不同的刚度采取不同的B水平计算公式,确定如下:

在15 000 Pa≤SN<20 000 Pa时,B水平下的变形率为$\text{Δ}B=28\sqrt[3]{1250/{\rm P}{}_s}\%$。

在20 000 Pa≤SN<30 000 Pa时,B水平下的变形率为$\text{Δ}B=25.5\sqrt[3]{1250/{\rm P}{}_s}\%$。

4)连接要求。

管道连接处在设计压力(0.25 MPa)下不渗漏。

5)安装变形要求。

埋设后初始变形量小于1.5%,最大长期挠曲变形量小于3%。

6)管材表面硬度要求。

为了提高玻璃钢夹砂顶管外壁的耐磨性,将国家行业标准规定的巴士硬度不小于40提高至不小于45,管顶进强度安全系数不小于4。

4 玻璃钢顶管的主要技术方案

4.1 顶管设备的选用

对于不同性能的土质应采用不同类型的顶管机。地下水位以上的顶管可采用敞开类顶管机,分为机械式顶管机、挤压式顶管机和人工挖掘顶管机三种。地下水位以下的顶管可采用具有平衡功能类型的顶管机,分为土压平衡式顶管机,泥水平衡式顶管机和气压平衡式顶管机三种。

若为单一地层,顶管机的选择可按照《给水排水工程顶管技术规程》选择。复杂地层选择顶管机根据《给水排水工程顶管技术规程》,要选择对所有土层均符合“可选机型”或“首选机型”的顶管机。适合复杂地层的顶管机早期常用的是气压平衡式,现在多用泥水平衡式。

4.2 顶管的施工流程

顶管的施工流程为:工作井,接收井施工和管材制作→顶管设备安装调试→吊装机头到轨道→连接好机头→连接进排泥管线及电缆→开始顶管→出泥→千斤顶回缩→拆除进出泥及各种管线→吊装第一节管→安装管材接口并顶管→最后管道贯通→机头抵达接收井并起吊至地面→拆除管道内进出泥管线、电缆及注浆管→封堵管道破裂处以及注浆口→砌筑检查井→管道闭水试验→井位回填和路面恢复。

4.3 减阻泥浆的应用

顶管顶进施工中,减阻泥浆的应用是减小顶进阻力的重要措施。顶进时,通过工具管及玻璃钢夹砂管管节上预留的注浆孔,向管道外壁压入一定量的减阻泥浆,在管道外围形成一个泥浆套,减小管节外壁和土层间的摩阻力,从而减小顶进时的顶力。泥浆套形成的好坏,直接关系到减阻的效果。

拌制减阻泥浆要严格按操作规程进行,催化剂、化学添加剂等要搅拌均匀,使之均匀地化开,膨润土加入后要充分搅拌,使其充分水化。泥浆拌好后,应放置一定的时间才能使用。通过储浆池处的压浆泵将泥浆压至管道内的总管,然后经压浆孔压至管壁外。施工中,在压浆泵、工具管尾部等处均装有压力表,便于观察,从而控制和调整压浆的压力。

顶进施工中,减阻泥浆的用量主要取决于管道周围空隙的大小及周围土层的特性,由于泥浆的流失及地下流沙等的作用,泥浆的实际用量要比理论用量大得多,一般可达到理论值的4倍～5倍,但施工中还需根据土质情况、顶进状况及地面沉降的要求等做适当的调整。

4.4 中继间的应用

为实现长距离顶管的需要,在不增加顶力的条件下,顶进过程中考虑在每个井段间加设中继间,通过逐级接力顶进可使顶管距离得到有效的加长。

中继间由前壳体、千斤顶及后壳体组成。前壳体与前接管连接,后壳体与后接管连接,前后壳体间为承插式连接,两者间依靠橡胶止水带密封,防止管道外水土和浆液倒流入管道内,钢壳体结构进行精加工,保证其在使用过程中不发生变形。中继间壳体外径与管节外径相同,可减少土体扰动、地面沉降和顶进阻力。

5 结语

与钢筋混凝土管和钢管相比,玻璃钢顶管有很多优越性。本文对于在玻璃钢顶管施工过程中的顶力计算、尺寸要求、刚度要求、连接要求、安装变形要求等主要技术参数给出了计算和确定的方法。同时对于玻璃钢顶管施工的主要技术方案进行了论述,包括顶管设备的选用、顶管施工的流程、减阻泥浆的应用及中继间的应用。

参考文献

[1]岳红军.玻璃钢夹砂管道[M].北京:科学出版社,1998.

玻璃管温度计示值视觉检测系统研制 篇5

针对以上问题,为了降低检定人员的工作强度,同时减小读数误差,需研制出玻璃管温度计示值视觉检测系统,通过安装一个工业相机来读取玻璃管温度计的示数。该视觉检测系统的实现需要解决如下几个问题: 通过相机拍摄质量较好的图像; 从拍摄图像中准确找到温度计的位置,即温度计定位; 从温度计图像加以中找到刻度线的位置, 即刻度线定位; 正确提取出温度计图像中液柱头的位置,即液柱头定位; 从温度计图像中找到两个数字字符,并找到两个字符对应长刻度线的位置。

近年来已有许多针对玻璃管温度计的算法被提出。文献[3]采用灰度极小值法来找出刻度线和液柱体,在某种程度上可以排除光照不均匀及反光等造成的干扰,但寻找液柱体时仍有可能造成遗漏,因为液柱体与周围像素的灰度值较为相近。文献[4]提出一种基于像素标定值的方法, 只提取温度计的液柱体,二值化方法采用固定阈值,然后结合膨胀算法和腐蚀算法得出液柱体,省去了数字字符寻找和刻度线提取的过程,但是在标定时仍然要采用人为标定的方法。文献[5]先对温度计图像进行滤波,边缘增强,再进行补偿得到预处理图像,然后采取基于二维直方图的多阈值方法进行图像分割,分别得到刻度线、液柱和数字字符图像,经过后续相关处理得到温度计的示值。综上所述,玻璃管温度计读数系统主要由以下几个过程: 图像灰度化、图像增强、图像二值化、 图像滤波、图像细化及投影计算等。1

上述过程存在的问题是一直对整幅图像进行处理,这样计算速度得不到提高,不利于提高系统的快速性,并且对刻度线定位算法涉及较少。笔者提出一种新的算法,该算法先从整幅图像中提取出温度计图像部分,然后仅对该提取图像进行处理,提高了运算速度。另外针对温度计刻度线的垂直特性,利用特定的模板对其进行二值化,适用性较好,克服了设定阈值不准确及光照不均等问题。

1系统总体设计

1. 1系统总体框图

系统的总体设计功能框图如图1所示,系统主要包括光源、温控装置、玻璃管温度计、摄像机、 处理器和计算机监控中心。

1. 2实验设备

根据设计的系统总体框图,搭建好各实验设备如图2所示,主要实验设备如下:

a. 光源,经过多次实验采用普通的节能日光灯,将其夹在温度计的上方,这样可以保证连续拍摄的图像亮度较为均匀,具有较好的重复性;

b. 温控装置采用型号为HHS-1的恒温水浴锅,温度设定好后,加热时间短,热能损耗小,性能可靠,操作方便,控温精度高,可在室温到100℃ 范围内任意选择某点恒定温度作为使用温度;

c. 摄像机是由型号为DFK 24G20A的工业相机和型号为HF16HA-1B镜头组成,该相机的图像传感器为CCD,分辨率可达1600 × 1200,采集速度达每秒20帧,在既保证采集图像质量的基础上还能保持较快的采集速度。

2算法实现

2. 1温度计图像提取

图像提取的目的是从拍摄的整幅图像( 图3) 中提取出温度计图像( 图4) ,这样后续的算法都只针对图4进行处理,加快了图像处理速度。采用的方法为先对整幅图像进行灰度化,然后运用灰度极小值方法得到整幅图像的二值化图像,再进行水平投影即可得到温度计在整幅图像中上下边缘的位置,最后根据上下边缘的位置从原图像中提取出温度计图像。

其中,笔者采用的灰度极小值法[6]是用3个窗口,每个窗口中的像素个数为5,灰度极小值窗口模型如图5所示。

图5中,X1~ X3分别为:

式中ak———横坐标为k点的图像灰度值;

w ———图像的宽度。

2. 2温度计刻度线提取

在温度计图像中刻度线都为线性且方向为垂直方向,可根据此特点采用特定的模板对图像进行二值化。模板法是一种局部二值化方法,即使拍摄的图像光照不均也能够取得较好的二值化效果,由于制定模板的方向与刻度线平行,针对线性的检测效果较好。

模板大小为15 × 15的矩形( 图6a) ,四周0区域部分的目的是去除图像的边缘以免对后续处理产生影响。将固定阈值法和模板法进行对比, 得到的二值化图像分别如图6b、c所示。模板二值化过程中x表示模板中2区域与1区域的差值,m代表阈值,起调节作用,对图像中点( i,j) 二值化的定义为:

通过图6可以看出模板法对线的检测效果较好,液柱部分已经全部去掉,而固定阈值法则将大部分图像信息都检测出来,还需要后续处理才能检测出刻度线部分。经过模板法处理后,刻度线二值图像中的刻度线粗细不均匀,这样不利于统计刻度线在图像中的位置,所以对其进行细化,使每条刻度线的宽度仅为一个像素宽度。然后对细化后的图像进行垂直投影,统计刻度线出现的频率,最后完成对刻度线的标定与提取,并将刻度线的位置坐标存在一个数组weizhi中。

2. 3温度计液柱提取

温度计液柱提取的主要目的是得到液柱头在图像中的位置。温度计图像中的液柱为水平方向,可根据此特点改变2. 2节中的模板方向对温度计图像进行二值化,即可得到液柱图像。对2. 2节中的模板旋转90°即为新模板,用该模板对图4进行二值化得到液柱二值化图像,图像中液柱的长度最长且为水平方向,先对二值图像进行水平膨胀和腐蚀处理[7],然后运用水平hough变换[8]提取出图像中的液柱线。液柱提取图像如图7所示。

从液柱图像中得到液柱头的位置。通过对液柱图像进行像素矩阵扫描,找到液柱头所处的像素位置,并记录下这个位置( yt) 。

2. 4温度计字符图像提取

从温度计上提取的数字字符大小和形状都不尽相同,如果把不同温度计上的字符都提取并识别出来,需要较大的工作量,所以笔者只提取字符图像,并不进行字符识别,而是借助于手动输入字符图像所代表的实际数值来实现字符识别。从图4可以看出图像中6和8并不是温度计上的实际数值,如果提取的字符图像是6和8这两个字符, 则手动输入的实际数值为16和18。

字符图像提取的步骤如下:

a. 对图4进行预处理,图像拍摄时加了光源使得图像整体亮度均匀,所以增强图像对比度和亮度即可;

b. 对预处理后的温度计图像二值化,笔者选择最大类间方差法,此方法运用广泛在此不再赘述;

c. 在步骤b处理后图像的下1 /3处画一条白线,这样可以将所有的刻度线连接起来构成温度计图像中最大的连通域,以方便后续提取;

d. 最大连通域检测,对步骤c处理后的图像进行最大连通域检测,获取此最大连通域的轮廓面积,然后提取出该最大连通域;

e. 提取出字符图像,计算由步骤d提取出图像的高度,那么温度计图像的总高度减去此高度就是字符图像高度,由计算出的高度,从步骤b处理后的图像中提取出字符图像。

字符图像提取结果如图8所示。

完成字符图像提取后进行单字符图像提取( 图9) ,具体过程如下:

a. 对图9c字符图像进行垂直投影,这样做的目的是得到数字字符在温度计图像中的水平位置坐标,即实现字符定位。

b. 对投影图分析,得到图像中第一个字符的起始点,分析投影图可以看出关键是处理像20这样的双字符图像,由于0和2这两个字符的间距较小,不会超过20个像素的宽度,所以在从左向右搜索字符时认为中间间断点数不超过20个像素的范围都为一个字符图像,同时记录下各个字符的起始位置。

c. 字符裁剪,裁剪两个数字字符即可,因为有两个字符,根据其对应的长刻度线坐标就可以计算出像素分度值和温度计的读数结果。由步骤b得出字符在图像中的水平位置,由图9中的字符图像得出要裁剪的字符高度,图像宽度选取220个像素宽度( 经测试对于不同温度计此宽度都可以将字符包含进去) ,对应到图4中对其进行裁剪,裁剪出字符图像。从图4裁剪的目的是防止从二值化后图像上提取的字符不清晰,不利于人眼识别。

d. 字符图像旋转,对提取出的字符图像旋转180°以便人眼识别。

2. 5寻找两字符对应长刻度线位置

温度计两字符提取后找到两字符对应长刻度线的位置。由于2. 2节中的weizhi数组中已经记录了刻度线的位置和每条刻度线的高度,将去掉短刻度线只剩下长刻度线的位置放在数组ckd中,通过两字符所在位置与长刻度线位置的比较分析,得出两字符对应长刻度线位置坐标w1、w2, 两个字符图像对应的实际数值为z1、z2。

2. 6结果计算

由上面两字符所对应两长刻度线的坐标值w1、w2和这个两个字符所代表的实际数值z1、z2, 可求出图像中每个像素所对应的像素分度值xf, 即:

得到像素分度值后,选取第一个字符为参考点,那么温度计的最终读数结果为:

3实验结果与分析

通过改变恒温水浴锅的温度进而改变玻璃管温度计的示数,同时用200万像素的CCD工业相机对温度计图像进行读取。实验所选用的玻璃管温度计为精创玻璃水银温度计,量程为0 ~ 50℃, 最小分度值为0. 1℃,在实际的玻璃管温度计读数时要对其最小分度值的下一位进行估读,通过本系统可以估读最小分度值的下3位小数,表1为本系统读数和人工读数的部分结果对比。

℃

从表1可以看出本系统读数与人工读数的温度差值均小于0. 1℃,人工读数小数点后的第二位为估读位,由此可以看出本系统读取的温度值更准确,达到了预期的要求。

4结束语

针对玻璃管温度计在图像中的特点,研制出了示值视觉检测系统,并通过实验证明了系统的可行性与算法的有效性,实现了玻璃管温度计的自动读数,人为参与因素较少,可代替人工读数,提高了读数的准确性,在检测领域具有推广价值。 针对玻璃管温度计的刻度线和液柱,利用模板法取得了较好的效果,同时对亮度不均匀的图像处理效果也较为良好,与其他温度计读数系统相比省去了预处理部分,读数更快,更具针对性,通用性更好。

摘要：针对玻璃管温度计的结构特点,结合检定温度计的实际工作环境研制了玻璃管温度计示值视觉检测系统。该系统根据温度计在图像中的横向特点,运用灰度极小值法、水平投影法,找到并提取出温度计图像,根据刻度线的垂直特性,运用模板二值化法对温度计图像加以处理并对处理后的刻度线图像进行细化并分析得出刻度线的位置。通过hough变换,将膨胀算法和腐蚀算法相结合得出液柱头的位置,再通过投影分析得到温度计上的数字字符和字符对应长刻度线的位置,最终得出正确的示值。通过实验证明该系统稳定、可靠,识别精度可达0.01℃以上。

关键词：视觉检测系统,玻璃管温度计,水平投影,模板二值化,hough变换

参考文献

[1]喻晓虎,孙世海,彭瑞军,等.玻璃液体温度计自动读数系统的研制[J].计量技术,2012,(12):62~64.

[2]JJG 130-2011,工作用玻璃液体温度计检定规程[S].北京:中国标准出版社,2011.

[3]王学智,杨国松.玻璃液体温度计自动检测方法[J].湖北水利水电职业技术学院学报,2013,(2):21~24.

[4]李宁,汪仁煌,刘孝峰,等.基于机器视觉的温度测量系统的设计及应用[J].计算机与现代化,2012,(9):57~60.

[5]汪祥,薛生虎,徐朋朋.玻璃液体温度计数显读数装置的研究[C].中国仪器仪表学会第十一届青年学术会议论文集.杭州:中国仪器仪表学会,2009:186~190.

[6]贾永红.数字图像处理[M].武汉:武汉大学出版社,2008.

[7]苑玮琦,王楠.基于局部灰度极小值的掌脉图像分割方法[J].光电子·激光,2011,22(7):1091~1096.

关于玻璃钢内衬混凝土组合管的研制 篇6

目前供水管道中常用的管道材料有预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 、球墨铸铁管 (DI) 、普通钢管 (SP) 、高密度塑胶管 (HDPE) 以及玻璃钢夹砂管 (GRP) 等材料做成的供水管道。而排水管道中主要有钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、PVC内衬混凝土管以及玻璃钢夹砂管、HDPE管等材料做成的排水管道。这些管材在实际应用中工程界已经发现有不同程度的缺点, 需要有新的管道材料去加以改进。

为了克服上述各种单一管道在实际工程应用中的不足之处, 我们经过多年研制, 做了上百次原材料试验和多批次的管道试验比较, 摸索了一套在经济和技术上可行的玻璃钢内衬混凝土组合管道的制作方法和经验。

1 应用玻璃钢内衬混凝土组合管的优点

玻璃钢内衬混凝土组合管是通过发挥玻璃钢材料的性能优点和混凝土管的长处, 将两种材料组合在一起形成的新型管道材料。它的研制成功弥补了上述单一管道使用中的不足之处, 为给排水管道的设计和施工提供了新的性能优越的经济技术可行的管道材料。

玻璃钢内衬混凝土组合管与其他管道材料相比的优势在于, 玻璃钢内衬由于具有较高的密封性能, 能够抵抗管内水压并且具有抗化学腐蚀、耐温度变化、流体阻力系数小、流速快以及管道内衬寿命长等优点;而钢筋混凝土管具有承受外部较大荷载和适宜非开挖工程的顶进施工, 这是普通DI管、HDPE管以及玻璃钢夹砂管不可比拟的优势。而相对钢管来讲混凝土管更能够耐受土壤里酸性或碱性物质对管道的腐蚀作用。同时混凝土管对玻璃钢内衬又起着很好的外壳保护作用。在经济上, 这种玻璃钢内衬的混凝土管道材料比使用普通钢管、玻璃钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管以及HDPE材料管要经济, 比使用球墨铸铁管或玻璃钢管再加上钢筋混凝土顶管做成外套的高压力复合管道施工方法更是节约造价很多。

在排水管道中对于有防腐要求的管道或要求具有抵抗温度变化的管道, 可以用玻璃钢材料作为更好的内衬材料取代目前使用的PVC内衬的混凝土管, 在管道质量明显提高的前提下而管道造价却没有增加多少。

由此可见, 玻璃钢内衬混凝土组合管作为一种新型的管道材料走向市场, 将具有强大的市场竞争力和生命力。

2 玻璃钢内衬混凝土组合管的制作原理

由于玻璃钢材料与混凝土材料是两种完全不同物理化学性质的工业材料, 要将两种材料复合在一起并且能够承受管道内压和外压的荷载, 而且组合材料的管道要具有经济和技术上的可行性, 这种产品一直以来在给排水管道业界具有一定的开发难度。问题的关键是玻璃钢和混凝土的材料性质相差较大, 要将两种材料通过一般的结合, 其结合强度难以达到使用要求。不恰当的结合方法会使得这种组合管材在实际应用中随着时间的延长, 玻璃钢内衬材料与混凝土管内壁之间产生脱离, 从而大大影响管道的使用寿命。尤其是玻璃钢内衬的混凝土组合管在施工时受到挤压、碰撞或者顶进等外力作用下, 或者在实际应用中受到外力荷载的反复作用下, 都有可能导致玻璃钢内衬与混凝土管内壁发生剥离现象, 造成管道内部严重堵塞的工程质量问题。因此, 如何把玻璃钢内衬材料与混凝土管牢固地结合在一起, 形成能够使使用寿命达到设计要求年限的组合型管道材料, 这是研制该产品需要解决的关键问题。

根据玻璃钢内衬混凝土组合管在不同的工程使用上, 我们采取不同的玻璃钢内衬管身和不同的接头设计以及增加机械锚固方式来解决上述技术难题。

3 产品的形式

玻璃钢内衬混凝土管目前开发有二种形式, 一种是承受内压≥0.1MPa (1.0巴) 的适合于给水工程或者有压力的排水工程管道, 另外一种是用于重力流的压力≤0.1MPa的排水管道。二种玻璃钢内衬的混凝土管道区别主要管道的接头设计和内衬的接缝以及厚度设计以及机械锚固方式的不同。

3.1 抵抗内压≥0.1MPa的玻璃钢内衬混凝土组合管道

承受给水压力高于0.1MPa的混凝土管道, 为了保证管道及其接口的密封性, 管道的接口和筒身均需要采用玻璃钢材料设计, 其管道内衬的玻璃钢管厚度可以由5~15mm不等, 具体根据给排水压力要求设计。玻璃钢内衬管材由表面光滑平整的树脂内表层、玻璃纤维增强结构层和树脂外表层组成。树脂内表层厚度应不小于1.2mm, 表层面巴氏硬度应不小于40。玻璃钢内衬管是一个整体的无缝连接的内衬材料, 是通过玻璃纤维浸润不饱和树脂, 在钢模上以连续紧密缠绕方式形成的玻璃钢管材。而用作管道承插接口的玻璃钢材料要具有足够的抗折、抗拉强度, 因此在承插接口部位的玻璃钢内衬管的厚度要适当增加。混凝土管道接口本身也是采用承插式的形式, 有钢筋混凝土承口和钢筋混凝土加铁环承口两种连接方式, 当顶进法施工时采用钢筋混凝土加铁环承口的连接方式。两种连接方式均在承插口的玻璃钢内衬管位置上设计有两道橡胶圈的沟槽, 以增加管道承插口的密封抗渗性能。由于使用玻璃钢材料做成的内承插口, 其承插口的公差精度以0.1mm计算, 并且可以在机床上进行切削加工成型, 以保证玻璃钢承插口的尺寸精度和密封性能, 因此它与普通混凝土管的接头相比其密封性得到大大改善和提高。

这种管道尤其适用于有压力的给排水管道线路, 需要采用顶管施工工艺、即非开挖施工方法时, 这种玻璃钢内衬的钢筋混凝土顶管是采用压力输送管道中较好的顶管材料, 它同时具有管身承受较高的内外压力, 和承受较大的轴向顶力的管道材料。它适合做顶管的性能是玻璃钢夹砂管、HDPE管以及DI管都不可比拟的, 同时它的耐腐蚀性、高密封性能也是钢衬预应力混凝土管 (PCCP) 、球墨铸铁管 (DI) 以及所有普通钢管做成的给排水管道所不可以比较的。

3.2 压力小于0.1MPa的玻璃钢内衬混凝土组合管

一般用于重力流的排水管道, 由于它的排水压力、水流速度取决于设计坡度, 在实际工程的施工中主要靠管道线路0.1%~0.3%左右的自然坡度, 通常排水流速已经没有问题, 我们统称这种管道为无压力的管道。

无压力输送流体的玻璃钢内衬混凝土组合管在管道的接口设计上可以保留现有混凝土管道的接头设计, 采用承插式的混凝土绕性接头加以一道橡胶圈密封的方式可以满足一般排水工程对管道接口无渗漏的密封要求。

玻璃钢内衬的壁厚可以根据工程的实际需要设计为2~3mm的厚度, 可以达到一般排水或排污管道对管道内壁设计使用寿命年限的要求。需要注意的是在以重力流为主的污水排放管道中使用玻璃钢内衬混凝土组合管与现在使用的PVC内衬混凝土管相比具有更多的性价比的优点。首先玻璃钢内衬具有一定的刚度, 更好的耐腐蚀性能, 以及表面平整光滑, 这些都更适合排污管道对材料的要求, 而PVC内衬的混凝土管做不到这些要求。由于PVC内衬混凝土管在生产时的构造原因, 往往PVC内衬材料在坎入混凝土的过程中会产生很多小气泡, 这些气泡不但影响排污管道内的流水性能而且会在日后使用过程中在气泡处容易发生破损, 从而影响排污管道的使用寿命。另外由于PVC材料是属于热塑性的聚氯乙烯材料, 其机械强度较低, 因此不可以做成管道的承插口, 否则影响管道接口的密封性。此外玻璃钢内衬能够耐高温和低温的液体, 这点PVC内衬是做不到的。

3.3 玻璃钢内衬混凝土顶管在非开挖工程中的应用

近年在给水或排水的工程设计中经常采用一种非开挖路面的管道施工技术, 其中的顶管材料的选择尤其重要。目前适合做顶管的管道材料可供选择的不是很多, 而其中采用玻璃钢内衬钢筋混凝土顶管比采用普通钢管做顶管要经济很多, 比采用玻璃钢夹砂管直接做顶管更有着十分明显的优势。玻璃钢内衬混凝土顶管在施工时充分发挥了混凝土管做顶管材料的优势, 它可以承受比玻璃钢夹砂管大五倍左右的轴向顶力, 因此可以增加施工现场的顶进距离, 减少工作井的开挖, 这对节省工程造价来讲是十分重要的, 同时它保留了玻璃钢内衬材料耐腐蚀的优良性能。

4 玻璃钢材料与混凝土管的组合

这是玻璃钢内衬混凝土组合管的技术要点所在。对于承受压力管道的玻璃钢内衬, 采取玻璃纤维通过浸润不饱和树脂在设定尺寸的钢模上, 通过连续紧密缠绕式生产工艺, 使其形成的玻璃钢内衬管材具有较高的刚度、密封性和抗内水压功能。通过进一步在玻璃钢管外壁身上设计布置锚固槽位, 并经过对槽位适当的机械加工, 在实际应用中这些槽位可以与混凝土在浇灌过程中形成机械结合, 使得玻璃钢内衬与混凝土管身达到紧密组合, 可以使得玻璃钢内衬组合管达到较高的对外荷载的抗压强度。

但是对于无压力的排污管道, 由于为了节省玻璃钢材料的工程造价, 通常不用较厚身的玻璃钢管型内衬, 而是采用比较经济的玻璃钢薄型板材做成内衬材料。不过由于玻璃钢材料和混凝土材料的膨胀系数相差较大, 属于二种完全不同的物理化学性质材料, 因此要将玻璃钢板型材料直接与混凝土材料结合做成的管道内衬, 并达到一定的拉拔机械强度, 几乎是不可能的。我们通过不同强度的混凝土材料直接与玻璃钢材料的结合试验, 在混凝土强度达到C50级别时, 以不超过20公斤力就可以拉拔开两种材料的结合, 这样显然在实际应用中是有问题的。因为当混凝土管道承受外在压力的时候, 由于两种材料的弹性系数相差较大就很容易在两种材料的结合处产生离析, 玻璃钢内衬材料由此可能在混凝土管道内产生塌落, 甚至堵塞混凝土管道的流水, 因此不可以将两种材料直接地简单结合一起用于实际生产。

在玻璃钢材料上设立机械锚固点, 通过这些机械锚固点与混凝土材料结合或与混凝土内的钢筋结合, 这是一种做法。但是要在玻璃钢板型材料上设立机械锚固点不是一件容易的事, 主要问题是由于排水管道的玻璃钢内衬材料为了减轻制造成本, 通常采用的玻璃钢板材比较薄, 一般只有2~3mm左右的厚度, 因此直接在较薄的玻璃钢材料上设立机械锚固点, 比如采取一般黏贴技术其黏贴强度往往达不到要求。主要原因是黏贴材料如果是普通的不饱和树脂, 由于它的本身机械强度并不高, 事实上在一般情况下不饱和树脂通过加入玻璃纤维做成复合材料即做成玻璃钢材料后才具有较好的机械强度。因此必须找到一种强度较高的不饱和树脂黏贴材料, 在通过适当的模压工艺, 将机械锚固材料与玻璃钢材料紧密结合在一起是这个工艺关键所在。因此是要选用合适的不饱和树脂材料, 在目前常用的不饱和树脂中有几十种材料, 我们需要的不饱和树脂材料应具有耐腐蚀性和机械强度较高的性能, 经过试验比较其中环氧改性耐腐蚀型不饱和树脂具有机械强度高、粘结力牢、韧性好的特点。

对玻璃纤维布的选用也是非常重要的一个环节, 玻璃纤维布应选用玻璃纤维缝编织物, 亦称为针织毡或编织毡。这种玻璃纤维布的优点是可以增强玻璃钢复合制品在极限下的抗张强度、张力下的抗脱层强度和抗弯强度, 表面平整使玻璃钢复合制品表面光滑, 这些对管道材料来讲是重要的。这种增强材料可以在拉挤法生产的玻璃钢板材或离心法生产的玻璃钢管材中应用, 效果比使用普通的玻璃纤维方格布要好。我们通过大量试验, 研制了一种工艺方法, 使得两种材料能够紧密结合并达到较高的拉拔强度。用这种方法做成的玻璃钢内衬在混凝土排水管道内, 其抗拉拔强度可以达到250~300kg/cm2。

从表1可以看到, 采用不饱和树脂加上改性环氧树脂材料作为中介材料, 再加上适当的锚固材料和模压工艺, 可以使得玻璃钢内衬与混凝土管内壁的结合力度满足抗拉拔强度≥14N/mm的抗拉拔试验要求。根据广东省标准 (DBJ15-53-2007) 关于PVC内衬混凝土管的检验标准, 上述试验结果已经超过混凝土排水管道采用PVC内衬材料的抗拉拔强度。也就是说采用玻璃钢内衬混凝土管比采用PVC内衬的混凝土管具有更长的使用寿命。

5 玻璃钢内衬混凝土管道的生产工艺

5.1 有压力的管道生产工艺

用玻璃钢材料做成混凝土管的内衬, 要分成两种工艺方法。有压力的管道为了提高管道密封性, 采用玻璃纤维浸润不饱和树脂后紧密缠绕挤压式的生产工艺, 将玻璃钢内衬材料根据混凝土管的内壁直径尺寸做成无缝隙的圆筒型管材, 这种圆筒型玻璃钢内衬的外壁必须设计有机械锚固键, 以便与混凝土相结合。生产混凝土管的工艺采取垂直浇筑、芯模震动的生产工艺。其中混凝土管的内模应该采取可收缩型的钢模, 这种可收缩型内模的外壁应该至少有0.2%的脱模锥度, 这对于保证玻璃钢内衬尤其在承插口的位置不变形具有重要意义。关于可收缩型内模的设计, 可以采取两种方式, 一是两个半圆式的可收缩型的内模;另外一种就是360°可收缩型的内模。

可伸缩型的内模采用气缸推动, 当生产前要装入玻璃钢内衬管材时, 收缩内模30~40mm, 当装配好玻璃钢内衬管材和钢筋笼后, 用气缸推动张开内模达到规定的尺寸, 这时候的内模外壁应该与玻璃钢管材的内壁紧密配合, 并且可以承受在下混凝土时对玻璃钢管材产生的内压力, 而且在开动震机时可收缩型内模不可以产生收缩位移的现象。设计良好的可收缩型内模对玻璃钢内衬混凝土组合管的质量至关重要, 否则玻璃钢内衬极易出现变形。

GRCP———代表玻璃钢内衬混凝土组合管;PCCP———代表预应力钢筒混凝土管

另外, 玻璃钢内衬管材上设置的所有锚固位置都应该与混凝土管身的钢筋笼连接在一起, 以提高玻璃钢内衬管材与混凝土管的结合力度以及对外荷载的抗压强度。

为了提高经济可行性, 对于压力管道的接口设计其采用玻璃钢的厚度与管道内衬的厚度是有所区别的。

5.2 无压力的管道生产工艺

对于以重力流为主的无压力排污管道, 玻璃钢内衬可以采用拉挤法生产的玻璃钢板材, 再根据混凝土管的模具尺寸做成带锚固键的圆形内衬材料, 然后在混凝土管的钢模上进行生产。为了减少排污管道的造价, 所采用的玻璃钢内衬材料可以考虑厚度为2~3mm的玻璃钢材料。生产工艺的关键是带锚固键的玻璃钢板材要具有足够抵抗拉拔的机械强度, 因此在选用树脂材料及其配方设计以及玻璃纤维布和锚固材料等方面要充分考虑抗拉拔质量的可靠性。混凝土管的模具可以采用可收缩型的内模, 也可以采用普通的钢模, 关键是玻璃钢内衬要与钢内模紧密贴合。为了减少在浇灌混凝土后脱模时产生的摩擦力, 可以在钢模上均匀涂上少量的脱模油。另外, 玻璃钢内衬材料在与混凝土钢模紧密贴合后, 还需要对玻璃钢内衬的搭接位置进行适当的密封处理, 以避免在浇灌混凝土时有混凝土沙浆进入内衬。

表3的数据是从生产实践中总结的经验数据, 从表中可以看到过短的振动时间和过长的振动时间以及过高的VB值都是不好的, 比较适合的混凝土振动时间是在40~50min之间, 而混凝土VB值的控制在20~30s是比较适合的。

6 玻璃钢内衬混凝土组合管道与其它常用管道性能比较

以上管道性能级别根据不同的使用环境条件分别评价为较好、可以、效果不好、不可以等4个级别。

7 结论

玻璃钢内衬混凝土组合管与目前工程中常用的管道相比有着较多的优点, 应用在非开挖施工的管道顶进工程中它比应用玻璃钢夹砂管、普通钢管等管道材料做顶管, 有着明显的顶进施工方面的优势;应用在有防腐要求的管道材料, 它与预应力钢筒混凝土管、PVC内衬混凝土管以及普通钢管等管道材料相比, 玻璃钢内衬混凝土组合管的耐腐蚀性有较高的提升;玻璃钢内衬混凝土组合管还可以做成抵抗内水压要求较高的供水管道, 尤其适合有压力供水或排污水的管道工程中采用顶进施工法的工艺时所优先选择的管道。

参考文献

[1]玻璃钢内衬混凝土组合管应用技术规程DBJ/T15-76-2010.

有机玻璃管 篇7

玻璃纤维增强塑料夹砂管 (以下简称夹砂管) , 是一种新型柔性非金属复合材料管道, 不仅有重量轻、承压能力好、输送液体阻力小、能保证供水水质、抗化学和电腐蚀、使用寿命长等特性, 而且造价合理, 安装和操作十分便捷, 不需要花费大量成本进行后期维护。就目前的市场调研来看, 城市工业水处理系统及重力、压力输送系统中都已在使用夹砂管。需求量的不断增加带动了夹砂管的大规模生产。为了规范夹砂管生产企业的生产活动, 防止质量安全事故的发生, 从2008年4月1日起, 我国正式推行GB/T21238-2007《玻璃纤维增强塑料夹砂管》, 并且按输水管一类产品标准对夹砂管进行生产许可证审查, 所以通过检测手段评定夹砂管质量优劣就显得尤为重要。

夹砂管作为典型的复合材料, 其性能不但具有各向异性的特征, 在大多数条件下还可以产生耦合效应。因此, 与普通水管材料性能检测标准相比, 夹砂管性能检测项目更多, 性能指标更严格。本文基于GB/T 21238-2007中几项初始力学性能的概念, 对比分析几种检测方法, 并且针对检测期间常见问题探讨应对措施, 从而为夹砂管检测提供有价值的参考信息。

1 主要检测要求及力学意义

(1) 初始环刚度检测:衡量管环在外载荷状态下抗径向变形能力的一项关键的性能参数, 是夹砂管管材设计中较关键的一项性能指标。

(2) 初始挠曲性检测:衡量管材在一定的压扁量下有无结构破坏。

(3) 初始轴向拉伸强力检测:目的是检测管材在垂直管径方向的受力性能。

(4) 初始环向拉伸强力检测:旨在检测在水压荷载条件下管材环向抗水压破坏性能。

2 初始力学性能检测的研究

2.1 初始环刚度检测的研究

初始环刚度的基本定义式为:

式中各参数所表示的意义详见表1。上式综合了管材、管径、管壁厚度等重要条件, 根据材料、结构得到环刚度的定义式。我们无法通过定义式了解环刚度与外载荷及径向变形之间的关系。因此, 考虑一段径向受压的管环, 在小幅度变形状态下基于理论分析得到公式 (2) , 公式 (2) 即为环刚度与外载荷径向变形之间的具体关系式, 式中各参数所表示的意义详见表1。

由式 (2) 得知, 当外荷载一定时, 管道径向变形会随着管道环刚度的增大而逐渐变小。也就是说, 管道究竟可以抵御多大的外荷载而不发生变形, 或者仅仅出现轻微变形, 主要取决于管道环刚度的大小。

GB/T 21238-2007中引入刚度等级的概念, 刚度等级是管材初始特定环刚度的级别, 夹砂管初始环刚度通常分为1250N/m2、2500N/m2、5000N/m2、10000N/m2四个级别。设计人员主要根据刚度等级确定管道的型号和规格。对于某一特定刚度等级的夹砂管来说, 其环刚度至少要与之刚度等级一致。即有:

式 (3) 中各参数所表示的意义详见表1。公式 (3) 为判定夹砂管环刚度是否符合其对应的刚度等级提供了有效依据。对于某一夹砂管来讲, 只有清楚环刚度, 可以准确获知该夹砂管的刚度等级。

由定义式 (1) , 可以针对复合材料力学特性进行理论分析计算, 由此得到作业项目夹砂管的环刚度。首先, 根据各单层基本力学性能参数推算出管壁层合结构的表观环向弯曲弹性模量, 再由壁厚、直径由定义式 (1) 的计算便可得到管道的环刚度。

在式 (1) 中, 环刚度和壁厚的三次方是正比关系, 也就是说, 可以通过加厚管壁来增大管道环刚度。此外, 环刚度和管壁的表观环向弯曲弹性模量之间也是正比关系, 只有调整管壁结构铺层才能得到预期的表观环向弯曲弹性模量。由此可见, 调整结构铺层也是增大结构环刚度的有效措施之一。但是每个项目都有其特殊的铺层形式, 所以在某些情况下, 即便管壁厚度一致, 也有可能得到不同的环刚度。所以说, 有的结构虽然管壁薄, 但仍具有较大的环刚度, 而有的结构管壁厚, 其环刚度却不及略薄的管壁。由此可见, 管壁厚度与环刚度之间并不是正比关系。因此, 夹砂管管壁并非越厚越好, 关键要看环刚度是否符合设计要求。另外, 由于调整铺层顺序会使环刚度随之变动, 在施工中, 针对同一类型的材料, 可以通过调整其铺层顺序得到最大环刚度。

在实际生产过程中, 质检部只要通过式 (2) 所示的平行板外载试验来检测夹砂管的环刚度。管道发生径向变形后, 管体形状改变, 故结合现场条件修正式 (4) 当夹砂管径向变形率达到3%后实测其环刚度, 将实测数据代入公式 (5) 得到环刚度的具体数值:

实测时, 先按指定宽度在夹砂管上截取一段管环。根据管道直径确定需截取的管环的宽度。如果管道直径小于1500mm, 就需要截取300mm或直径的3倍中的较小值;如果管道直径大于1500mm, 就应该按照直径的20%截取管环。参照图1的加载形式对截取的所有管环逐个加载, 直至管环径向变形率达到3%时记录载荷值, 将其代入公式 (5) 计算出所测管环的环刚度。连测三个管环取其平均值作为所测夹砂管的环刚度。

2.2 初始挠曲性的讨论

GB/T 21238-2007中规定以挠曲水平A和挠曲水平B评判夹砂管的初始挠曲性。

当环刚度相同时, A水平的标准要求值是B水平的0.6倍, 故选定不同的环刚度, 具体分析与B水平对应的挠度值。对于环刚度大于10000 N/m2或者小于1250 N/m2的非标准夹砂管, 挠曲水平B对应的径向变形率=30× (1250/S0) 1/3— (1) ;对于环刚度达到1250, 2500, 5000, 10000 N/m2的标准夹砂管, 其变形率分别为:30%、25%、20%、15%;其余1250~10000 N/m2规格B水平采用线性插值法取值。各刚度等级及对应的B水平关系曲线如图2所示。

在图2所示1250~10000 N/m2的环刚度条件下, 通过式 (1) 所得的挠度曲线的挠曲水平值均未达到额定值;用标准管刚度等级值对应的挠曲水平B值做控制点的连线, 都在式 (1) 所得挠度曲线的上方, 并且与其十分接近。按照国家规定, 在1250~10000 N/m2范围内的管道挠曲水平应该比公式计算所得数值略高, 而美标要求一律按照公式计算值控制非标准管挠曲水平, 这足以可见我国对夹砂管性能及质量的要求高于国际水准。

实测管环挠曲性能时, 在加载点处的弯矩和剪切力达到最大值, 所以在加载板和夹砂管环接洽的部位极易遭到破坏。从大量试验及检测结果来分析, 实测夹砂管的挠曲性能时, 发现夹砂层早期破坏是导致管材挠曲度不达标的主要因素, 这多半是因为使用了劣质夹砂层而出现的结果。一般来讲, 如果夹砂层树脂含量低, 空隙率高, 石英砂和树脂混合时均匀度差, 就可能导致其挠曲度达不到设计要求。

除此以外, 夹砂管的结构层也是发生早期破坏的主要部位。主要因为管壁铺层不符合设计要求, 导致加载截面周边部位受压, 在一定程度上增强了玻璃纤维对树脂层的破坏程度。在生产过程中, 这种现象并不多见。总的来讲, 挠曲度的控制必须重点关注以上破坏形式, 严格控制夹砂层的生产工艺, 尽量避免管道在使用过程中发生早期破坏。

2.3 初始轴向拉伸强力检测方法的探讨

管道投入使用后, 轴向方向受力通常涉及两类情况:其一, 管道不承受由管内压直接产生的轴向力, 或未承受特殊轴向力;其二, 管道承受由管内压产生的轴向力, 这类管道主要是一端连接阀门或盲堵但缺少支墩支撑的特殊管道。要求参照国标, 采用下列方案检测轴向拉伸强力。

方案一:参照GB/T 5349-2005《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》施测。这套规定包括整体拉伸与取样拉伸两套检测方案。其中, 公称直径小于或等于100mm的管道一律采用整体拉伸检测方案, 但是需要大量待检测试样和夹具, 检测流程相当繁琐。取样拉伸检测方案与方案二执行同一套检测标准, 即GB/T 1447检测标准, 但试样尺寸有差别。GB/T 21238-2007虽然兼顾了整体拉伸检测的试样数量, 但待测试样仅为1个, 显然未考虑取样拉伸检测的试样数量, 为此, 执行检测标准时必须明示这一差别。

方案二:参照GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》施测, 采用直条状试样取样检测, 宽度取20mm与方案一中取样拉伸方法的近似哑铃型相较于方案一中的取样检测方案来说, 方案二更简单实用, 并且该方案适用于常规性的夹砂管轴向拉伸性能检测任务。

检测时所用夹具的夹持厚度主要取决于待测试样的厚度。沿试样厚度方向夹持时, 夹持部位是不易被破坏的结构层, 大多数试样的断裂情况都能达到设计要求;沿试样宽度方向夹持时, 由于有的夹持部位是拉伸强度和剪切强度较低的夹砂层, 在夹持作用下极易破坏。在实际检测过程中, 如果待测试件厚度不及夹具最大夹持厚度, 建议沿厚度方向夹持。在某些情况下, 还要用热固性树脂将试样夹持段两端涂平再检测。

2.4 初始环向拉伸强力检测方法的选择

GB/T 21238-2007标准中规定了对初始环向拉伸强力的三套检测方案, 即“分离盘”法、“样条法”和“内水压法”。这三套方案虽然各有千秋, 但环向拉伸强力的测定始终是难题。需要参考管道直径及管材厚度选定合理的检测方案, 才能够得到客观准确的检测结果。以下是三套检测的优缺点及适用性分析:

2.4.1“分离盘”法

检测依据为GB/T 1458-2008《纤维缠绕增强塑料环形试样拉伸试验方法》。首先制取20mm宽的圆环, 在水平直径两端试样两侧分别开一直径为10mm的半圆。一般来说, 只要是直径小于800mm的夹砂管都可以用“分离盘”法施测, 并且能够得到较为精准的环向拉伸强力。如果是直径较大的管道, 需要用大分离盘施测, 但是考虑到大分离盘比较重, 不便于操作, 难以保证所测数据精准无误, 所以不建议采用这套方法测量大直径夹砂管道。

2.4.2“样条法”

检测依据为GB/T 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》。要求参考图3按标准尺寸制取待测试样。与“分离盘”法相比, “样条法”使用范围广, 且更易于操作。待测试样是从环向方向上切取的, 所以试样有一定的弧度, 拉伸时, 试样不仅要承受拉应力, 还会受到弯曲作用力的影响。如果管道直径较小, 试样条弧度大, 就会导致弯曲应力比拉伸应力大, 因此试样在拉伸过程中, 其受力破坏通常是从内侧向外侧过渡。只有当管道公称直径很大时应力偏差较小, 即破坏截面上最大应力才更接近所测拉应力, 且试样最大应力与所测拉应力之间会随着试样厚度的增大而逐渐变得更为接近。即便如此, 这也无法完全反映真实值。

由于环向拉伸强力值较高, 在实际检测中直径较大的夹砂管道, 其夹持部分的夹砂层极易被破坏。鉴于此, 检测前需要适当加强夹持部位, 并且注意加强部分与夹砂层之间的结合。若结合不好, 加强部分与夹砂层剪力小, 夹砂层仍然可能在夹具中被破坏。

2.4.3“内水压法”

检测依据为GB/T 5351-2005《纤维增强热固性塑料管短时水压失效压力试验方法》。就目前来看, 这套方案并不常用。由于本方法所需的试样用料较多 (不小于3D, D为管道的外直径) , 检测的周期较长, 检测方法较复杂, 而且要做到两端完全密封较为困难, 同时需要高压力, 检测有一定的危险性, 故较少采用。

综上所述, 在进行环向拉伸强力检测过程时, 对于小口径试样 (800mm及以下) 可选择方法A或者方法B进行试验, 大口径试样 (800mm以上) 多使用方法B进行检测。不用或少用方法C。

3 结语

主要对玻璃纤维增强塑料夹砂管几项初始力学性能检测方面的问题作了研究探讨, 重点对环刚度等基本概念、环刚度设计与测试的基本方法和挠曲水平的计算问题, 轴向拉伸检测过程中试样的夹持方式, 环向拉伸检测中不同方法的适用范围以及样条法试样加工过程中的问题等作了比较全面的分析。对环向拉伸的检测方法不能准确反映环向拉伸性能以及轴向拉伸检测中方法A的试样数量等问题也提出了自己的观点, 这些问题可以在今后标准的修订中加以考虑。

夹砂管初始力学性能检验是判断夹砂管产品力学性能的重要手段。本文通过对检验方法的研究与讨论有助于更深入的理解各项力学性能的概念, 更合理的选择适用的检验方法, 以达到熟练掌握检验操作的目的, 为夹砂管的检测工作提供有利的参考。

摘要：由玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度、刚度等级概念分析了环刚度设计与检测的基本方法, 探讨挠曲水平、轴向拉伸强力和环向拉伸强力检测方法, 比较分析了各种方法的优缺点与适用范围, 对理解及掌握玻璃纤维增强塑料夹砂管初始力学性能的概念及相关检测方法具有一定参考意义。

关键词：玻璃纤维增强塑料夹砂管,初始力学性能,方法,检测

参考文献

[1]GB/T 21238-2007, 玻璃纤维增强塑料夹砂管[S].

[2]GB/T 5352-2005, 纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法[S].

[3]周仕刚.关于玻璃纤维增强塑料夹砂管标准中几个问题的讨论[J].玻璃钢/复合材料, 2001, 1:42-45.

有机玻璃管 篇8

CNT以独特的几何结构和力学、电子及化学特性, 在场发射、微电子器件、复合增强材料、储氢材料[1,2]、传感器等众多领域蕴藏着极大的潜在应用价值, 尤其是CNTF在场发射平面显示器 (FED) 的应用一直是科学研究的热点[3,4]。大量的科学研究者在研制各种发射尖阴极[5,6,7], 通过增加发射体尖端的曲率使发射尖表面产生足够强的电场来增加发射效率, 但其阴极制备过程复杂且封装成本比较高。CNT在场发射方面具有诸多优点, 如比表面积高、尖端的曲率半径小、机械强度和化学稳定性高、阈值电压低、电流密度大以及可控时间长, 这些优异的特性使其成为电子发射的理想材料[8,9,10,11,12]。然而对于CNTF在FED的商业化应用, 低成本印刷在玻璃衬底上CNTF发射点的密度和均匀性仍是一个主要的问题。因此寻找提高玻璃衬底上CNTF场发射性能的热烧结和退火后处理工艺是十分重要的, 也是低成本丝网印刷CNTF使FED走向产业化的重要步骤。

1 CNTF的热烧结

1.1 改进前的烧结方法

改进前使用的CNTF热烧结处理温度曲线如图1所示。热烧结过程包括3个升温阶段 (图1 (a) 、 (c) 、 (e) ) 、3个恒温阶段 (图1 (b) 、 (d) 、 (f) ) 和1个降温阶段 (图1 (g) ) 。图1 (b) 段是通过浆料本身表面张力作用而使印刷层表面更加均匀和平整的自修饰过程。图1 (d) 段是使印刷层充分粘结在玻璃衬底并干燥的过程。图1 (f) 段则是为了使干燥后的制浆材料高温分解, 从而使CNT露出印刷层表面。图1 (g) 段是自然降温过程, 图中的线段不代表实际温度。经过如图1热烧结处理后就可得到印刷CNTF。未经热烧结处理的印刷CNTF表面形貌如图2 (a) 所示, 制浆材料包围在CNT周围, 所以还必须对印刷在玻璃衬底上的CNTF进行热烧结处理。热烧结处理可以达到2个目的:一方面可以使印刷的CNTF干燥并牢固地粘结在玻璃衬底上;另一方面可以使印刷CNTF表面所含的制浆材料分解蒸发掉从而使CNT露出印刷层表面。由于CNT浆料中含制浆材料 (乙基纤维素) , 如果不能充分地将其分解蒸发掉, 这些材料在印刷层干燥后会紧密地包裹在CNT周围, 使CNT无法发射电子, 因此必须在后面的热处理过程中加以去除。图2 (b) 给出了经热烧结处理后印刷CNTF表面形貌的SEM照片。该薄膜所用浆料中CNT与乙基纤维素的比例为2∶5。从图中可以看到, 尽管该薄膜的CNT密度及数量都不少, 但薄膜表面仍有不少的制浆材料包围在CNT周围。

1.2 改进后的烧结方法

为改善CNTF薄膜表面以提高其场发射特性, 经实验改进的CNTF烧结工艺如图3所示。改进后的烧结曲线与改进前的烧结曲线相比, 热烧结过程包括2个升温阶段 (图3 (a) 、 (c) ) 、3个恒温阶段 (图3 (b) 、 (d) 、 (f) ) 和2个降温阶段 (图3 (e) 、 (g) ) 。升温过程少了1个323K的恒温段, 直接加热到393K (图3 (b) ) 恒温段使印刷CNTF层充分粘结在玻璃衬底上并干燥, 然后加热到图3 (d) 段保持613K, 所用时间延长了30min, 且最高温度提高了40K, 目的是使干燥后的制浆材料高温分解, 增加印刷的CNTF有机物蒸发量。在降温过程中, 图3 (f) 恒温段使表面蒸发更加均匀, 图3 (g) 段是自然降温过程, 图中的线段不代表实际温度。经过如图3所示的热烧结处理后就可得到印刷CNTF。薄膜表面没有干透, 使较深处的无机物可以在后面的烧结过程中进一步蒸发掉, 温度达到并保持613K所用的时间延长了30min, 且最高温度升高, 使无机物蒸发的速度和总量增大, 因此利用改进后的烧结曲线对印刷CNTF热处理后, 薄膜表面的有机物基本处理掉了, 如图4所示。改进后烧结的最高温度升高, 使印刷CNTF有机物挥发得更充分, 包围在CNT管壁的制浆材料基本没有了, 使CNT充分暴露在印刷层表面上。

1.3 印刷CNTF场发射条件下的发光情况

从图5中可以发现, 经改进前的烧结, 阳极荧光屏的发光点密度和亮度不均匀, 当场强为4.0V/μm时, 荧光点的面密度约为5～8个/cm2, 而当场强提高到5.0V/μm时, 荧光点的面密度约为12个/cm2, 对于显示应用来说是很不够的, 需要改进后处理过程以改善印刷在玻璃衬底上的CNTF场发射性能。改进后热烧结处理CNTF场发射时阳极的发光照片如图6所示。比较图5和图6可以发现, 相同场强时改进后热烧结处理CNTF场发射时阳极荧光屏的发光点密度提高, 各发光点亮度与图5相比也趋于均匀。从图6阳极屏上发光点的数量来看, 当场强为4.0V/μm时, 荧光点面密度约为8～12个/cm2;而当场强提高到5.0V/μm时, 荧光点的面密度约为18～24个/cm2;印刷CNTF的场发射性能有所改善, 但发光点均匀性较差不能用于FED。

2 退火对CNTF场发射性能的影响

在氮气保护下将CNTF样品分别在温度573K、623K、673K和退火时间15min、20min 进行退火, 然后采用二极结构测试CNTF在不同条件退火后的电子场发射性能。图7为不同退火条件下CNTF电子场发射的特性曲线。退火条件对CNTF的场发射特性的影响见表1。实验结果表明, 623K、15min是样品退火的最佳条件, 退火后CNTF场发射的开启电场和阈值电场都明显变小, 表明适当的退火温度和时间能使CNTF中的有机物质挥发去除, 使尽量多的CNT端部露出表面, 提高CNTF电子场发射的性能。温度太低, CNTF中的有机物能有效挥发;而温度过高或退火时间过长, 虽然有机溶液会全部挥发掉, 但CNTF与衬底的结合力太小, 容易从衬底上脱落, 样品中的电子场发射性能也会下降。而且过高的温度也可能损伤细小的MWNT结构从而影响其电子场发射性能。

经623K、15min退火热烧结处理后, CNTF场发射阳极的发光照片如图8所示, 发光点密度的均匀性进一步改善且点密度提高。从图8阳极屏上发光点的数量来看, 当场强为4.0V/μm时, 荧光点面密度约为24～28个/cm2, 而当场强提高到5.0V/μm时, 荧光点的面密度约为28～30个/cm2, 但对于显示应用来说从场发射实验数据和发光情况来看, 印刷CNTF的场发射性能得到改善, 各发光点亮度与图5相比也趋于均匀。

3 结论

对低成本丝网印刷的CNTF进行合适的热烧结和退火处理以使CNTF中CNT与衬底、CNT与CNT有良好接触, 便于电子输运, 实验改进了CNTF的烧结工艺, 最高温度613K能使CNTF表面制浆剂充分挥发, 露出的CNT尖端增多。实验研究表明, 623K、15min为最佳退火条件, 退火后薄膜的开启电场和阈值电场都明显变小, 适当的退火温度和时间能使CNTF中的制浆剂充分挥发, 并使尽量多的CNT端部露出表面, 提高CNTF场发射性能。所以合适的热烧结和退火处理是使低成本丝网印刷CNTF场发射平面显示器走向产业化的重要步骤。

参考文献

[1]Iji ma S.Helical microtubes of graphitic carbon[J].Nature, 1991, 354:56

[2]Valentin N Popov.Carbon nanotubes:properties and appli-cation[J].Mater Sci Eng R, 2004, 43:61

[3]Justin Gooding J.Nanostructuring electrodes with carbon nanotubes:A review on electrochemistry and applications for sensing[J].Electrochi mica Acta, 2005, 50:3049

[4]Yih-Ming Shyu, et al.Lowtemperature growth and field e-mission of aligned carbon nanotubes by chemical vapor depo-sition[J].Mater Chem Phys, 2001, 72:223

[5]Zhu C C, Liu W H, Huangfu L J.Flat-panel structure for field-emission displays with carbon anotube cathode[J].J Vaccum Sci Techn B, 2001, 19 (5) :1691

[6]Liu Xinghui, Zhu Changchun, Liu Weihua, et al.Large-ar-ea carbon nanotubes fil msynthesized for field emission dis-play by special CVD equipment and the field emission prop-erties[J].Mater Chem Phys, 2005, 93:473

[7]Li Yukui, Zhu Changchun, Liu Xinghui.Field emission dis-play with carbon nanotubes cathode:prepared by a screen-printing process[J].Diamond Relat Mater, 2002, 11:1845

[8]Zhang Xiuxia, Zhu Changchun.Field emission uniformity and stability of CNTs emitters on stainless steel[C].Tech-nical Digest of the18th International Vacuum Nanoelec-tronics Conference.Oxford, UK, 2005:270

[9]Zhang Xiuxia, Zhu Changchun.The fabrication of novel structure of field emitting light tube with carbon nanotubes as cathode[C].Technical Digest of the18th International Vacuum Nanoelectronics Conference.Oxford, UK, 2005:342

[10]Zhang Xiuxia, Zhu Changchun.Field-emissionlighting tube with CNT fil m cathode[J].Microelectronics J, 2006, 37:1358

[11]曾凡光, 朱长纯, 等.用原位机械破碎方法提高印刷碳纳米管薄膜的场发射性能[J].西安交通大学学报 (自然科学版) , 2005, 39:863

有机玻璃管 篇9

1 Ti O2光催化材料的结构性质

Ti O2俗称钛白粉, 其安全无毒、性质稳定, 是一种无机白色颜料, 并广泛应用于光触媒、化妆品等行业。Ti O2的基本结构是氧钛八面体-[Ti O6], 由于Ti-O八面体连接形式的不同, 出现了三种不同的晶型结构:即四方晶系的锐钛矿相和金红石相及斜方晶系的板钛矿[2]。三种晶型结构热稳定有所不同, 加热情况下锐钛矿相和板钛矿相向金红石相发生不可逆转变, 而金红石相具有较高的热稳定性。

2 金属掺杂

2.1 金属离子掺杂

利用物理或化学手段使金属离子进入到晶格结构中, 在其禁带带隙中引入杂质能级和缺陷中心, 捕获价带上的电子, 减少光生电子-空穴的复合, 从而提高了Ti O2光催化活性。有的金属离子可以拓宽Ti O2的光吸收范围, 产生红移, 能够提高可见光活性。过渡金属、稀土金属、碱金属、碱土金属等均可用作掺杂离子。Ma等[3]通过直接阳极氧化铜钛合金得Cu-Ti-O纳米管阵列, 其吸收边界向可见光移动。Liu等[4]以Z r (NO3) 4为电解液, 通过电化学方法制备了Zr掺杂Ti O2纳米管阵列, 掺杂后其光催化性能有一定提高。兰宇卫等[5]采用阳极氧化法制备了TNAs, 然后使用浸渍法进行了稀土元素La3+, Gd3+, Y3+的掺杂, 结果发现高掺杂量Gd3+的Ti O2纳米管有利于光电转换效率的提高;掺杂La3+的Ti O2纳米管光电流效率随着La3+的掺杂量的增加而增加。稀土掺杂中, Y3+对Ti O2纳米管光电效率的提高促进最大。

2.2 表面贵金属修饰

贵金属修饰能够改变体系中的电子能级结构, 改善Ti O2纳米管阵列的表面性质, 进而改变Ti O2纳米管阵列的催化活性。因为Ti O2的费米能级要高于贵金属, 所以当贵金属和Ti O2两种材料联结在一起时, 电子会不断的从Ti O2向贵金属转移, 直到两者的费米能级相等, 并且会在二者的表面形成空电荷层和肖特基势垒[6], 对光生电子和空穴的复合产生抑制作用, 提高光催化活性。

3 非金属掺杂

目前, 在非金属离子掺杂TNAs中研究较多得是C、N、S和卤素等单元素掺杂或者共掺杂。庄惠芳等[7]在阳极氧化制备TNAs的基础上用湿化学法对TNA进行了氮掺杂, 实验发现N以取代氧的形式进入Ti O2晶格, 掺杂氮的Ti O2纳米管阵列在可见光区有较强的吸收, 其光电催化性能明显优于纯Ti O2纳米管阵列。Yuan等[8]将TNAs浸渍在氨水中, 然后在空气气氛中进行热处理制备了氮掺杂的TNAs, 发现其光生电流和光催化活性与热处理温度密切相关。肖鹏等[9]采用阳极氧化法制备出高度定向的Ti O2纳米管列阵, 并对其在CO气氛中进行不同温度下的焙烧处理, 研究了焙烧条件对Ti O2纳米管结构的影响, 并采用亚甲基蓝为目标污染物, 探讨了碳掺杂修饰的Ti O2纳米管阵列对亚甲基蓝的光催化降解性能。魏凤玉等[10]采用两步水热法制备了硫掺杂的单一锐钛矿型Ti O2纳米管催化剂。陈秀琴等[11]采用不同配比的H2SO4和Na2SO4、少量的HF混合水溶液为电解液体系, 通过阳极氧化制备了S-F共掺杂的Ti O2纳米管阵列, 研究表明其对可见光有强烈吸收并有较高的催化活性。

4 表面光敏化

表面光敏化是使用物理或化学方法使染料分子等光活性化合物吸附于光催化剂表面, 拓宽光催化剂光谱响应范围, 提高反应效率的修饰手段。修饰催化剂的染料分子, 其激发态电势应比Ti O2的导带电势更负, 这样染料分子受可见光激发后产生的激发态电子才可能转移到半导体的导带上, 从而扩大Ti O2的光响应范围[12]。与此同时, 染料分子也可能作为光生载流子的复合中心而降低催化剂的量子效率, 有机染料也存在光稳定性和电化学腐蚀问题, 所以应选择合适的有机染料。

5 半导体复合

半导体复合是将Ti O2和一种甚至多种半导体进行组合, 利用半导体之间导带、价带和禁带宽度的差异性进行互补, 拓展TNAs的光谱响应范围, 提高光生电子和空穴的分离效率, 进而提高TNAs的光催化性能。目前研究较多的复合半导体有Cd Se、Cd Te、Cd S、Zn O、Cu2O、Mn O2、Si O2、Fe2O3、WO3等。薛峰等[13]采用电化学沉积法在Ti O2纳米管阵列表面沉积了Cd S颗粒, 经过修饰后, 其对可见光的吸收范围明显扩大, 对甲基橙的降解效率由修饰前的57.1%提高到76.4%, COD的去除率从49%提高到70.6%。方宁等[14]采用水热法制备了Si O2-Ti O2纳米管, 经修饰后其降解酸性橙Ⅱ的效率有较大提高。

6 结论

结合Ti O2光催化材料的结构与性质, 系统地论述了金属离子掺杂、表面贵金属修饰、非金属掺杂、表面光敏化和半导体复合等方法对Ti O2纳米管改性的研究进展, 评价了改性后Ti O2纳米管改性的特点以及应用范围, 对比了不同的改性方法的优缺点, 可为建立新的Ti O2纳米管改性方法提供一定参考依据。

摘要：针对TiO2光催化材料在处理难降解有机物方面引起了水处理领域的研究热潮, 本论文结合TiO2光催化材料的结构与性质, 系统地论述了金属离子掺杂、表面贵金属修饰、非金属掺杂、表面光敏化和半导体复合等方法对TiO2纳米管改性的研究进展, 评价了改性后TiO2纳米管改性的特点以及应用范围, 对比了不同改性方法的优缺点, 可为建立新的TiO2纳米管改性方法提供一定参考依据。

关键词：TiO2纳米管,金属离子掺杂,表面贵金属修饰,表面光敏化

参考文献

[1]Yang Z B, Ma Z Q.Enhancing the performance of front-illuminated dyesensitizedsolar cells with highly oriented single-crystal-like TiO2 nanotube arrays.Ceramics International, 2014, 40:173-180.

[2]Gribb A A, Banfield J F.Particle size effects on transformation kinetics and phase stability in nanocrystalline TiO2.American Mineralogist, 1997, 82 (7) :717-728.

[3]Ma Q, Liu S J, Weng L Q, et al.Growth, structure and photocatalytic properties of hierarchical Cu-Ti-O nanotube arrays by anodization.Jour-nal of Alloys and Compounds, 2010, 501 (2) :333-338.

[4]Liu H, Liu G, Zhou Q.Preparation and characterization of Zr doped TiO2nanotube arrays on the titanium sheet and their enhanced photocatalytic activity.Journal of Solid State Chemistry, 2009, 182 (12) :3238-3242.