日本抗震新技術:「噴」聚脲樹酯!

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(來源:日經技術在線)
撰文者:北爪 匡
日經科技報 2013.01.07
–本文由日經BP社提供隨著設施的老化加劇,日本的社會基礎設施日益脆弱。但由於政府財政困難,無法展開大規模的抗震加固等工程。作為新的施工方法,日本現在正在開發充分利用樹脂特性的低成本、短工期加固技術。
日本山梨縣中央高速公路笹子隧道事故造成9人遇難的重大傷亡,震驚了日本列島。雖然責任在於未用鐵錘進行「敲擊檢查」,但此次事故再次反映出了日本各地社會基礎設施缺乏維護的沉痛現實。
2011年的東日本大地震、此次的隧道事故以及令人擔心的東京直下型地震。雖然警鐘不斷敲,但應對日本社會基礎設施老化的抗震加固工程卻並未能順利展開,其中最大的原因是成本問題。
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比如因老化問題而令人擔心的首都高速公路,要進行抗震加固,需要在橋墩上包裹鐵板並在橋桁部分覆蓋碳纖維板等以提高強度。首都高速公路計劃在2012年度內按照日本政府在1995年阪神淡路大地震後調整的抗震標準,完成上述加固工程和老化部件的更換。
上述加固工程的優點在於可繼續使用原有的橋墩和橋桁,只通過追加施工即可加固。而缺點是材料費及加工費等成本負擔重,工程本身也耗資巨大。
以更便宜、更簡單的施工進行加固——這是處於財政困境中的地方政府急需解決的課題。在這種情況下,清水建設、三井化學產資及日本防衛大學把目光投向了一種合成樹脂材料。
目光投向樹脂
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三方合作開發的是只需對著對象物噴塗「聚脲」合成樹脂塗層的極其簡單的施工方法。但與鐵板和碳纖維板相比,其強度還拆強人意。因為向對象物噴聚脲樹脂,對象物本身的強度基本不會提高。但是,聚脲樹脂具有保持形狀的重要特點。

聚脲樹脂是氨酯的一種,由異氰酸酯組分與氨基化合物的化學反應生成,並不是什麼新開發的特殊樹脂。由於這種材料耐酸鹼,因此之前一直被用做保護構造物被液體腐蝕的塗層劑,三井化學產資公司也曾銷售過。
但是,此次關注的是聚脲樹脂的另一個特性。如上圖所示,與環氧樹脂和聚氨酯等樹脂相比,聚脲樹脂兼備樹脂的強度和伸縮性。也就是說,其特點是韌性大,即使受到瞬間的強烈撞擊,也會保持著結合進行伸縮,因此受撞擊後能恢復到原來的形狀。
下面的插圖和照片就是根據聚脲樹脂的這一特點,實際進行碰撞試驗的結果。從1公尺高處向U字型有鋼筋的混凝土塊砸下20kg的重物。未噴聚脲樹脂的普通混凝土塊撞擊一次就會出現裂痕,反覆撞擊2~3次,就會像照片上那樣斷裂。

但是,噴上厚度為2.5mm的聚脲樹脂層後,反覆撞擊,形狀雖有所改變,但不會斷裂。反覆撞擊20次也未變形,最後還是用鐵錘敲擊了幾次,部分混凝土塊才出現了裂縫。
其實這時土塊已有損傷,從截面來看已有無數裂縫。但即使這樣,土塊仍能保持形狀不變,這是因為聚脲樹脂具有不容易斷裂,能恢復原來形狀的特性。清水建設技術開發部部長河野重行介紹說:「全面施加塗層,特性會更高」。
這從上圖的圖表中也可以看出來。未噴塗聚脲樹脂的鋼筋混凝土承受一定載重時,開始變形,繼續施加負荷,變形量在某個時間點就不再增加,這是受損後已經不能再變形的狀態。而噴塗聚脲樹脂塗層後,鋼筋混凝土在這之後還會繼續變形。這證明構造物並未斷裂而在繼續拉伸。

未被海嘯摧毀的魚塘
當發生大地震等巨大晃動時,普通鋼筋混凝土構造物承受一定以上的載重就會受損。但是,聚樹脂可以在內部構造物受損後,在一定程度上仍保持其形狀。也就是說,聚脲樹脂具有將建築物及橋樑等構造物的坍塌程度降至最小的效果。
這種效果在東日本大地震中也得到了驗證。在地震和大海嘯過後,岩手縣野田村留下了不可思議的一幕——一個養殖鮭魚和鱒魚的養殖場雖然經歷了高3米的海嘯,但唯有場內的一個魚塘幾乎「完好無損」。其他魚塘都已蹤影全無,而這個魚塘正是為了防止混凝土被水侵蝕而噴塗過聚脲,從而保持了原有形狀。
清水建設的河野部長解釋說:「對於加固,以前大多數方法都是設法使構造物不要從部件或材料開始損壞。但是,即使部件或材料損壞,如果構造物整體不垮塌,就有可能挽救生命。」看準聚脲特點的日本防衛大學邀請清水建設共同研究,擁有生產技術的三井化學產資也加入了其中。
由於使用的是聚脲樹脂這種普通合成樹脂,因此施工成本是使用鐵板和碳纖維板的一半。另外,噴上30秒後塗層即可硬化,30分鐘內就開始表現出特性,因此能夠在極短時間內完成施工。
不過,畢竟噴塗聚脲樹脂技術並不會提高構造物的強度,只是降低倒塌等最壞情況下的風險。河野部長也指出,「我們建議結合(鐵板及碳纖維板等)提高強度等技術使用」。
上述三家單位計劃在3年後使該技術達到實用化,目前已經在申請新型用途專利。今後為提高長期的耐用性和耐熱性,還將優化噴塗量和厚度等。
老化應對技術在各國都存在商機

日本社會基礎設施老化問題亟待解決。上圖是今年2月日本總務省對全國各地實施調查的結果,圖中標出了服役超過40年的基礎設施在所有基礎設施中所佔的比例。碼頭等港灣及河流管理設施、管道等自來水道設施均將在未來20年內有一半或更多將迎來服役超過40年的「超老齡化時代」。
為迎接1964年東京奧運會,處於高度發展時期的日本在戰後復興大潮中快速興建了大量基礎設施。但是,小泉純一郎政權以後,這項公共投資縮小,民主黨獲得政權後,進一步削減了公共投資。
也就是說,在財源有限的情況下,管理基礎設施的各地方政府未落實大規模的更新投資,而是繼續使用已經老化的設施。當然,由於過去建設基礎設施過於集中,使得最近老化問題加速惡化。
自民黨在此次的大選中提出了通過大規模貨幣寬鬆來擴大公共投資的「國土鞏固政策」。不過,在少子老齡化導致社會保障費用也日益增加的情況下,要全部更換快速老化的基礎設施,需要龐大的國家預算。因此,現在需要能以最低限度的資金長期保持基礎設施安全、更換已經無法維持的基礎設施以平均投資的技術和智慧。
這種技術不僅在日本有需求,今後在全世界其需求也很可能會增大。比如,積水化學工業正在海外推廣在老化的下水管道內側呈螺旋狀噴塗樹脂進行修補的「管道更新」技術,在歐美等國已經接到訂單。
老化基礎設施的對策是日本目前面臨的亟待解決的課題,同時,能夠解決這一問題的技術也會在國外帶來新的商機。現在正是考驗日本企業利用有限資金找到最佳應對方式能力的時候。 (記者:北爪 匡,《日經商務週刊》)

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