耐蚀纤维增强塑料（FRP）衬里（lining）

耐蚀纤维增强塑料（FRP）衬里（lining）

（ 上海富晨化工有限公司 上海200233）

1．概述

耐蚀玻璃纤维增强塑料（FRP）衬里（lining）作为现在最一般的防腐蚀方式已在多个领域得到广泛应用。在我国对工业建筑物、设备、工业化学品储槽、废水池等采用耐蚀FRP衬里，其设计、施工的国家和行业规范中都作了相应的原则规定，其应用也得到了急速地发展，因而在耐蚀衬里领域，FRP衬里发挥了其威力。

耐蚀FRP衬里的基体树脂可采用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、呋喃和酚醛树脂等，但由于腐蚀环境的复杂化，要求耐酸、耐碱，耐溶剂性同时也要满足耐热性80~120℃的要求，进一步伴随着这样的防腐蚀装置大型化，作为综合性能优良的环氧乙烯基酯树脂（VE）的衬里材料的适应性也被用户接受和认同，是目前国内外防腐蚀衬里用的主要原材料。VE作为耐蚀FRP衬里用基材，在一般的热固化性树脂中，是最优秀的树脂，耐蚀性，固化性，粘结性，强韧性，耐热性等在现场使用中能够充分发挥其性能。

2．衬里的基本概念

用有机耐蚀材料包覆金属面进行防腐蚀操作时，可用三种方法，油漆（painting）、涂层（coating）、衬里（Lining）。一般认为，painting是在200μm以下的薄膜，除了防锈、防蚀外还有为了美观的目的；Coating是有着500μm左右的高耐蚀性的涂层，对于磨损和浸透很困难；Lining的包覆厚度从1000μm到10mm，完全可以隔断腐蚀环境。但是coating也能开发成“重防腐蚀”涂料（heavy duty），包覆厚度有300~1000μm，耐久性也提高，如现在市场上的重防腐蚀树脂玻璃鳞片涂料或树脂玻璃鳞片胶泥，这样coating和lining并没有明确的界限。

painting在常温时使用较多，但耐热涂料等是个例外。因此为了防腐蚀，金属（或混凝土）面做耐蚀层衬里是必要的。

3．有机包覆材料的防腐蚀机理

为了防止金属的腐蚀，自古以来，都是采用涂料包覆。其防腐蚀机理是：用有机涂膜包覆金属面，隔断了水、O_2、离子等对金属的侵入。据此，金属面上形成局部电流的阴阳两极，被有着高电阻的有机涂膜将其隔开，减少了腐蚀电流，结合除锈颜料的极化效应，这样可以来防止金属腐蚀。涂膜的防蚀功能除涂膜本身的分子结构、颜填料等配伍剂外，与金属面接触的紧密性，使膜厚受到很大的影响。

因为有机包覆材料是电的不良导体，在水中不会溶出离子，因此与金属的腐蚀机理不同。而各种化学品（气体、蒸汽、药液）侵入包覆材料，就会产生化学和物理变化，这相当于金属的腐蚀机理。因而选用对化学品“惰性”的有机包覆材料就显得非常重要了。

这种侵入由化学品种类、状态，有机包膜材料的组成、分子结构不同而呈现多样性。另外，暴露在严酷的腐蚀环境中除了化学变化外，还有热老化，由空气引起的自身氧老化，紫外线老化等综合引起的腐蚀。

4．防蚀衬里的断面结构形式

衬里包覆，如图4-1所示，有着多种的断面结构，树脂包膜和基底金属粘合的情况也不同。图中a-e的情况，基底金属（被衬里体）喷砂除绣（表面清理）后，用底漆涂布后，再用液状树脂按规定的厚度包覆形成包膜。如使用纤维增强材料，则形成FRP包膜，一般把这种工艺称为FRP衬里。

图4-1  防蚀衬里的断面结构形式

a.涂层	被衬体
b.FRP   衬里	表面涂层或表面毡                              . FRP层（毡、布复合）                               专用底涂                               被衬体
c.玻璃丝   衬里	表面涂层                                 玻璃丝衬里层                                 专用底涂                                 被衬体
d.树脂胶     泥黏合	表面涂层                                 树脂胶泥黏合层                                 专用底涂                                 被衬体
e.砖衬里	表面树脂胶泥灰缝                                耐酸砖                                树脂胶泥结合层                                专用底涂                                被衬体
f.塑料板   衬里	焊缝口                               塑料板衬里层                               黏合剂层                               被衬体
e.松动   衬里

    分别用不同树脂作为基材，将玻璃纤维、碳纤维等增强材料复合的结构，如图中b。

    液状树脂可单独或与增强材料一起复合固化，对于合成树脂的衬里，玻璃丝，无机填充料等与树脂混合得到的衬里料，又分别称为积层衬里如图中c、树脂胶泥衬里如图中d。

图中f，基底金属喷砂清理后，用粘结剂涂布于塑料板使其粘结。而混凝土槽，由于混凝土自身多数会发生裂纹，粘结的衬里会随混凝土的裂开而裂开，因此把此工艺称为非粘结工艺。

图中g，一般称为松动衬里，用螺钉固定的话，也称为螺钉固定衬里。

5．FRP衬里

5．1特点

FRP衬里是主要用液状树脂和增强纤维等粘结被衬里体形成耐蚀FRP，因为用的是热固性树脂，因此无论在常温，或任何情况加热固化都是可能的，加热之后，交联密度增大，耐蚀性也提高。实际使用上耐热性可达120℃，最高150℃。酚醛，呋喃，环氧、UP、VE等树脂都可以采用。FRP衬里有着以下特点：

    1）机械强度有被衬里体承担（强度设计容易）。

    2）被衬里体能够选择价格便宜的材料（当被衬里体对耐蚀性没有要求时）。

    3）结构、组成，厚度的可设计性（能够对应的适材、适所）。

    4）现场能够常温固化，在现场无论何时都能施工。

    5）施工时没有必要昂贵的设备。

    6）修补容易。

但在另一方面与整体FRP单独使用时不同，FRP衬里是包覆于被衬里体（金属、混凝土等）的界面基底之上，由于与基底的粘结性差异，向环境剂界面的渗透扩散，起泡，剥离，膨胀系数差等，有热应力发生。随着热应力的产生，裂纹就成为防腐蚀的重要问题。为了与此相对应，衬里用基材的多样性选择（粘结性，耐药性）随之产生，其中VE作为耐蚀性、粘结性、韧性，常温固化性方面优良的材料进行了评价。

5．2设计上的注意点

     在我们现行的防腐蚀设计、施工等规范中, 对耐蚀材料的基本性能要求，有了比较详尽的规定。但单靠这些数据要完成工况条件比较复杂的防腐蚀衬里设计是远远不够的，设计人员可能要作更深的考虑，才能达到完美的防腐蚀衬里设计效果，下面描述的内容或许对你设计时的综合考虑带来有益。

5．2．1 粘结特性

对于FRP衬里，防腐蚀衬里和被粘结体的粘结强度是控制衬里耐久性的重要因素之一。一般来说，耐蚀性优良的衬里与被粘结体之间的粘结是不好的。被粘结体（金属或混凝土）由于表面状态不同，即使同样进行VE-FRP衬里工作时，也应分别使用底涂层来进行表面处理，以提高粘结性。我们把此操作称为Primer（底涂）。Primer控制着衬里的是否成功，多数已成为生产厂家的技术秘密（know how）。

VE的粘结性优良，而与之配套的专用底涂层（如Fuchem-810）的使用，则更能够提高粘结性能。

5．2．2  FRP衬里的热膨胀系数和热应力

从渗透扩散理论而言，衬里层越厚越好，致密而强度高。但作为固化后的衬里材料来考虑就未必如此，因为FRP的膨胀系数是金属、混凝土的2~3倍！

当环境和操作温度发生变化，则在FRP衬里和基底（金属、混凝土等）的界面会产生应力，如果此应力超过了两者之间的粘结力，就会发生FRP衬里的剥离、起泡等现象。

化学设备的金属表面上形成的FRP衬里，从运行开始到运行终止的这段时间，温度将会发生变化。由于温度变化，沿着FRP衬里面发生的热应力δ_H（kgf/cm²）可以下式来表示：

δ_H=ΔT·（α_R -α_SS）E/（1-υ²）=ΔT·Δα·E

这里，E：拉伸弹性模量；

      ΔT：温度差（随温度变化）；

      Δα=α_R-α_SS ：FRP和低碳钢之间的膨胀系数差；

      υ：泊松（ pission）比。

现在我们可来估算一下，在70℃运行的FRP衬里储槽，运行终止、温度下降到20℃，FRP衬里产生的应力：

假设：拉伸弹性模量1000kgf/mm²，线膨胀系数α_R=2.50×10^-5/℃，α_SS=1.19×10^-5/℃，

ΔT=50℃，FRP和低碳钢之间的粘结强度（剪切）为25.0 kgf/cm²

则δ_H =1.31×10^-5×50×1000kgf/ mm²=65.5kgf/cm²，设FRP厚为3mm，则衬里端面发生应力为65.5（kgf/cm²）×0.3=19.6（kgf/cm²）。粘结强度（剪切）比此高得多，因此不必担心会剥离。如果FRP厚为4mm，则从理论上可判断衬里层使用后将发生剥离、脱壳等现象。

FRP衬里和混凝土基面之间的情况也可仿照上述公式来进行估算。

5．2．3 化学介质的渗透和扩散系数的推定

不仅限于FRP衬里，所有的有机衬里材料一接触到液态化学介质、水、气体即会扩散至材料内部，在一定时间后透过一定深度。关于扩散有Fick公式，作为理想的扩散公式，多数时候可求得扩散系数的大概值。扩散系数表示衬里材料对介质的吸收速度，是判断防腐蚀衬里使用寿命的一个重要因素。

厚度ℓ的衬里试样与液体接触t（小时）后的重量增加为Mt（mg或mg/cm²），到达平衡状态时的重量增加为M∞，当是理想扩散时，则扩散系数D（cm²/小时）的关系式如下：

Mt            8     ∞         1

       =1—         Σ                  exp{-D（2m+1）²π²t/ℓ²}……（1）

M∞           π²  m=0      (2m+1)²

浸渍初期式为：

  Mt       4         Dt

      =         （         ）^1/2…………（2）

M∞      π^1/2        ℓ²

图4-2的吸水曲线Mt对 t^1/2作图，从初期的斜率能够求得扩散系数。图4-3所示为多种VE和间苯系UP的扩散系数D和温度的关系。

一般情况下，衬里层厚度对扩散系数没有影响，如图4-4；介质温度对扩散系数的影响，基本符合阿论尼乌斯（Arrhenius）公式，如图4-5；而介质浓度的大小与扩散系数有关系，如图4-6和图4-7。

因此扩散系数愈小，衬里层愈厚，化学介质的扩散受到妨碍，衬里层的防腐蚀性能可以想象能长期得到保持。

5．2．4 水蒸汽扩散和粘结力

不仅限于FRP衬里，有机衬里一面显露在高温下，而金属面却处于较底温度下，则热扩散现象有利于浓度扩散，促进液体向衬里的渗透，水或水蒸气最易渗透，冷凝于金属和衬里间的粘结面，妨碍了FRP的粘结，而容易产生气泡。

我们称这种现象为温度梯度下的渗透扩散。水和蒸汽中，一般众知的水蒸气扩散。图10-1-19所示为粘结力和温度梯度的关系。图中的数字为金属面的温度和衬里面的温度，温度差愈大，短时间的粘结力就愈低。

Menges等推出下式：

L=ℓ²/6D+τ（P_B·δ_N）

这里 L：衬里的寿命； 

     ℓ：衬里的厚度；

     τ：衬里不剥离时间 ；

     P_B：起泡内部的压力 ；

    δ_N：垂直拉伸剥离应力

从此式显示出，衬里的寿命由膜厚，扩散系数和基底的粘结力决定。

对于FRP衬里，水蒸气扩散和粘结力控制了衬里的寿命，希望衬里厚度增加，同时使用扩散系数小的材料，并且保温，使温度梯度变小，这样就提高了粘结力。

5．2．5 内应力的产生和松弛

   FRP衬里用耐腐蚀树脂在固化时伴有放热、蒸发、冷却、聚合等过程，各种热固性树脂或多或少会引起收缩。这时，如果FRP衬里层与基层的粘结力小于树脂固化产生的收缩应力，那就会发生FRP衬里层的剥离；如果粘结力很大，就能阻止界面上的收缩。但产生的内应力可能要引起FRP衬里表面龟裂。

   有学者对环氧树脂进行了线膨胀系数α_r、玻璃化温度Tg和动态粘弹性（储藏弹性率）E的测定，内应力可以用下列的计算式进行估算

由于线膨胀系数是在铝板上进行测定的，因此α₂为铝板的线膨胀系数。

目前，高耐蚀、低收缩、粘结力好的防腐蚀材料一直是各材料生产厂家致力于重点开发的领域，而Fuchem-891是这类树脂的典型代表。

5．3 施工上的注意点

我们用混凝土表面的树脂衬里为例。

各种树脂衬里的具体施工操作规程，可在现行的GB50212和HGJ-229中找到，本文不再细述。施工时环境条件可能产生的变化以及基层表面出现的各种复杂情况，使我们的业主（发包方）、设计和施工（承包方）和材料供应方三家要密切配合，并需要及时处置施工中出现的问题。

5．3．1 耐腐蚀材料的选择

选什么衬里材料的前提取决于工况条件：

    1）被衬里体的设计构思和施工品质（按相关国标要求）；

    2）耐蚀性具体目标，如化学品的基本性质、相态，其使用温度及变化、浓度及变化等；

3）在衬里现场施工时可能的气候条件；

根据实验室耐蚀性试验（按相关国标要求）、现场挂片试验或已有的材料使用经验积累，选取技术可靠、经济合理、施工可行的耐腐蚀树脂、增强纤维和填料是目前通常之做法。

5．3．2 被衬里体的结构检查

    就被衬里体本身而言，可能造成FRP衬里失败的原因，除了养护期不够、被衬里体强度低等以外，主要有下面的问题：

    1）混凝土被衬里体地下部分与土壤接触的表面，防潮层或防水层没有设置。因为混凝土结构并非完全不透水结构，而树脂涂层面的混凝土底基一旦受潮，粘接性能就会下降。

    2）混凝土被衬里体不平整，用水泥砂浆层找平，而没有在界面采取提高结合力措施；

    3）浇混凝土用模板以及剥离剂的选定，原则上模板设定为木制模板，用于其表面的剥离剂最好是没有油性的。当采用装饰板和钢模板整理混凝土表面，由于底漆不同，有时会引起粘接不良，因此要尽量避免使用。在不得不使用的情况下，混凝土整个表面有时需要进行喷沙或者打磨等处理。

    如何在一个已造成的“既成事实”上，进行被衬里体的FRP衬里，已成为各家施工企业的技术秘密（know how），业主能找到这样的施工者是非常幸运的。

5．3．3 被衬里体的表面要求

    混凝土被衬里体的表面处理要求及达到的目标，已在现有的规范中有明确表述，底基混凝土的表面必须是： 

    1）清洁，无浮浆、油脂、异物等。 有“浮浆、油脂、异物”，会影响树脂衬里材料的粘接性能和使用寿命。

    2）干燥，坚固。干燥不充分，会造成树脂衬里粘接不良。所谓“坚固”，是指树脂衬料的干燥或者硬化收缩以及使用过程中的温度变化引起膨胀或收缩，粘接界面要有能够承受应力的强度。

    3）平整，无空穴、气泡痕迹、突起物。所谓“平坦”，是指无高低差、蜂窝、大的凹凸等。

5．3．4 施工前对混凝土面的点检

一个有丰富经验的施工操作者，除了应该掌握各种不同树脂衬里的习性之外，对具有共性之混凝土结构物，在衬里施工前，应进行全面、细致的检查，并及时解决存在的问题而不给衬里施工留下隐患，表5-1罗列了25个可能遇到的点检项目：

表5-1 施工前混凝土面的点检项目

说明：

1)       根据工程所需的树脂衬里，上面的项目要求程度各有不同，因此项目、基准除了规范有规定外，其他的则需要由发包单位和施工单位事先协商。

2)       “强度”不够，混凝土难以承受因树脂衬里的干燥、硬化收缩或者使用时的温度变化引起的粘接面上产生的应力，因此会造成因母材被破坏而剥离的现象。用施密特锤测定表面强度，强度要超过所需表面强度。

3)       “表面干燥度”不够，有时会造成树脂衬里粘接不良。特别是在结露的情况下，由于气候的变化，会产生再结露，因此在施工树脂衬里前要注意。检查干燥度的方法除了使用市场销售的水分表外，还有贴塑料布的方法。按照作业开始时间，用胶纸带将1m大小的塑料布贴住（四边密封），然后放置，时间要超过预定涂敷的树脂衬里的底涂干燥所需时间，在这段时间内，要确认塑料布里面没有结露。

4)       “碱度”高，根据材料的不同，有时会影响硬化，造成剥离现象。

5)       有“漏水、渗水”，树脂衬里的粘接力下降，容易造成剥离现象。

6)       “浮浆”的存在是由于底漆没有充分发挥效果而造成剥离。用割刀等工具将混凝土表面刮一下，确认不容易刮开。

7)       “异物、突起物”往往影响衬里的均匀性和和良好的工艺性。

8)       “泥浆、灰尘等”，由于底漆没有充分发挥效果，容易造成剥离。

9)       “模板剥离剂”以及“油漆、油脂等”一旦粘附，会造成底漆的弹性和粘接不好。如果水滴不扩散而积成小水滴的话，那么可以判断有油。

10)    “起壳”会造成树脂衬里剥离。用测试锤或者敲击棒轻轻击打表面，确认声音不闷。

11)    有“裂缝”容易造成漏水和树脂衬里的共裂。用间隙表测量其宽度，协商处理办法。

12)    “蜂窝”使树脂衬里底基表面没有强度，而且容易造成树脂涂敷不均匀。

13)    “高低差、模板错位”难以确保均匀的衬里厚度，而且容易产生树脂衬里的裂缝和针孔，影响美观。

14)    “模板木接孔”有时会造成漏水、渗水现象。

15)    “裂缝、缺口”容易造成衬里涂膜不均匀。

16)    “冷接缝”容易直接造成漏水。

17)    有“空穴、气泡痕迹”，表面没有强度，也容易产生针孔。

5．3．5 点检后的处理方法

 5．3．5．1修补材料。

1)       聚合物水泥砂浆

2)       聚合物水泥胶泥

3)       树脂胶泥

4)       密封料

5)       混凝土接缝用粘接剂

6)       水泥砂浆

7)       快速凝水剂

8)       其他、具有与1）～7）相同性能的材料。

            

 5．3．5．2 强度不够 

  

说明：

（1） 在使用普通水泥时的用于树脂衬里的标准保养时间大致如下：

（2） 夏季：2个星期

（3） 春秋季：3个星期

（4） 冬季： 4个星期

（2） 虽然设定了保养时间，但是强度仍有部分不够时，最好进行（B）处理。

（3）虽然保养充分，但是整体上强度不够时，由发包单位和施工单位协商。

 5．3．5．3 表面干燥不够

说明：

   1）根据使用的树脂料的不同，所要求的干燥程度有所不同，但是一般最好没有潮湿的颜色。

   2）强制干燥时仅限于保养到所需强度为止。

   3）在使用烘干机时不要让火焰直接碰到混凝土表面

 

5．3．5．4 碱度

     清洗混凝土表面直到碱度不对树脂料构成危害为止。