摘　要: 對(duì)一種新型混凝土渠道接縫材料的抗凍性能進(jìn)行了研究。經(jīng)過200 次凍融循環(huán),發(fā)現(xiàn)不同處理的材料拉伸強(qiáng)度均有下降趨勢(shì),添加0 % ,10 % ,35 % ,55 %粉煤灰的材料拉伸強(qiáng)度與對(duì)照比較分別下降了29 % ,5 % ,30 % ,25 % ,在材料中添加適量填料可改善材料性能,拉伸強(qiáng)度下降最小的材料與對(duì)照比較只下降了5 %;同時(shí)材料的斷裂拉伸率也有下降趨勢(shì);凍融處理后材料表面的孔隙明顯變大、增多。該材料的抗凍性能優(yōu)良,在我國(guó)北方地區(qū)推廣應(yīng)用尤為適宜。

關(guān)　鍵　詞: 接縫材料; 抗凍性能; 拉伸強(qiáng)度; 斷裂伸長(zhǎng)率; 微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào): TV44 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

　　一些發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視伸縮縫的質(zhì)量,美國(guó)多采用彈性人造橡膠、聚氯乙烯止水帶作伸縮縫止水材料。日本則多采用止水板(即橡膠止水帶) 、瀝青、瀝青瑪蹄脂及彈性瑪蹄脂或密封膠[2 ] 。在我國(guó),渠道接縫材料主要為瀝青砂漿和焦油塑料膠泥,前者耐高低溫性能較差,冬季易脆裂,夏季易流淌,不是理想材料;后者需要熱施工,在渠道底部或水平縫中易施工,但在渠道邊坡和U 形渠道中,熔化后的膠泥流體流淌,難以灌到縫中[ 3 ] 。所以在渠道工程中采用一種具有良好彈性和粘接性的能夠冷施工的接縫材料顯得尤為重要。

　　研發(fā)的一種雙組分反應(yīng)型石油瀝青聚氨酯接縫材料,獲得國(guó)家發(fā)明專利,專利號(hào)碼為ZL200310118992.X。并在甘肅的渡槽接縫、青海的渡槽及青海、陜西的渠道接縫,還有高速公路等工程上有所應(yīng)用,施工效果較好。為了更好的在廣大北方地區(qū)推廣應(yīng)用,進(jìn)行材料的抗凍性能研究是很有必要的。

1 　試驗(yàn)材料與方法

1. 1 　主要原材料

　　采用國(guó)家節(jié)水灌溉楊凌工程技術(shù)研究中心自主開發(fā)的PTN 新型渠道接縫材料,該材料包括甲乙2 種組分。甲組分:異氰酸酯、含活潑氫材料、催化劑;乙組分:石油瀝青、環(huán)烷烴烯烴混合油、MOCA (3 ,3’- 二氯- 4 ,4’- 二氨基- 二苯基甲烷) 、粉煤灰、甲苯。

1. 2 　試樣制備

　　在一般傳統(tǒng)配方的基礎(chǔ)上,在乙組分中添加了粉煤灰,粉煤灰的添加可降低材料成本。按照粉煤灰添加量不同可分為4 種處理,代號(hào)分別為A ,B ,C ,D ,處理差異如表1 所示,表1中,粉煤灰含量為粉煤灰質(zhì)量與石油瀝青質(zhì)量之比。

　　甲乙組分混合配比選用質(zhì)量比1 ∶2 ,標(biāo)記為A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 ,另制備水泥砂漿塊若干,規(guī)格為75 mm ×25 mm ×12 mm。

　　按照上述4 種處理澆注成型如圖1 所示,澆注前砂漿塊需去浮灰,用相應(yīng)的底料涂底,甲乙組分要混合均勻。

　　每個(gè)處理成型15 個(gè),在砂漿塊上用記號(hào)筆標(biāo)號(hào),成型后放置1 個(gè)月,備用。

1. 3 　性能測(cè)定

　　將試塊放入水中浸泡飽和24 h ,擦干試塊表面。將制冷設(shè)備調(diào)溫到- 25 ℃,把成型試塊按照不同處理裝入4 個(gè)網(wǎng)袋里,放入冷藏室,冷凍4 h 。4 h 后,將試塊從網(wǎng)袋中取出,分別放入盛水的4 個(gè)盆內(nèi),解凍4 h ,此過程計(jì)為凍融1 次。再次放入冷藏室前,用干布將試塊上的表層水擦干。如此1 d 可進(jìn)行凍融3 次。凍融25 、50 、100 、150 、200 次時(shí)分別從每一類試樣中選取3 塊(1 組) 試塊,留作性能測(cè)定用。取出的試塊自然風(fēng)干,待全部試塊取出并干燥后對(duì)其拉伸強(qiáng)度及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定和觀測(cè)。其中拉伸強(qiáng)度用土工強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定,設(shè)備型號(hào)為YT010 -1000 ,拉伸速度設(shè)定為5 mm/ min 。材料微觀結(jié)構(gòu)用電鏡掃描,電鏡為荷蘭Philip s2FEI 公司生產(chǎn),型號(hào)Quanta200 ,分辨率3. 5 nm。

2 　結(jié)果與討論

2. 1 　凍融處理對(duì)接縫材料粘接性能的影響

　　為了探討凍融處理對(duì)接縫材料粘接性能的影響, 對(duì)A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 4 種處理凍融25 、50 、100 、150 、200次后的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定。以3 次重復(fù)的平均值表示材料拉伸強(qiáng)度,見圖2 。但4 種處理的接縫材料的粘接性能受凍融影響都較小。

　　由圖2 可看出,材料經(jīng)過凍融處理后的拉伸強(qiáng)度均有下降趨勢(shì)。但拉伸強(qiáng)度并未成規(guī)律性的下降而成波動(dòng)性變化,這可能是由于實(shí)驗(yàn)室條件下材料混合不均或粘接界面即砂漿塊表面差異造成的。比較了凍融25 次和200 次后的材料拉伸強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)A1 ∶2 下降29 % ,B1 ∶2 下降5 %,C1 ∶2 下降30 %,D1 ∶2 下降25 % ,下降后的拉伸強(qiáng)度均顯著超過規(guī)范上規(guī)定的值0. 2 MPa 。還可以看出,在接縫材料的合成過程中添加適當(dāng)量的填充劑(如粉煤灰) 可明顯改善材料的抗凍性能,B1 ∶2 配方中添加10 %的粉煤灰,使得凍融處理后材料的拉伸強(qiáng)度只下降5 %。這是由于材料中的粉劑起到類似混凝土中砂骨料的作用,使得材料的拉伸強(qiáng)度變大。

　　對(duì)A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 4 種處理凍融25 、50 、100 、150 、200 次后的斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)定,見圖3 ?？梢钥闯?材料經(jīng)過凍融處理后的斷裂伸長(zhǎng)率均有下降趨勢(shì),和拉伸強(qiáng)度類似,也存在著數(shù)值上的波動(dòng)。另外,隨著粉煤灰添加量的增加材料的斷裂伸長(zhǎng)率均有所下降,這是由于材料中添加了硬性的粉煤灰材料使得材料的強(qiáng)度變大而形變能力變小。

　　綜合圖2 ,圖3 可以看出,添加粉煤灰后,材料的拉伸強(qiáng)度變大,斷裂伸長(zhǎng)率變小。這是由于粉煤灰是硬性材料,不參與材料合成反應(yīng),只是一種結(jié)構(gòu)性材料,可增大材料的強(qiáng)度,降低材料的塑性。

2. 2 　凍融處理后接縫材料微觀結(jié)構(gòu)的變化

　　為了探討凍融對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)A1 ∶2 ,D1 ∶2 2 種配方材料凍融25 次、200 次的微觀結(jié)構(gòu)在電鏡下進(jìn)行了掃描觀測(cè)見圖4 。

　　由圖4 可以看出凍融處理使得2 種配方材料表面上的孔隙增大。這是凍融處理對(duì)材料產(chǎn)生的機(jī)械破壞的一種表現(xiàn),可能是由于材料在凍融過程中,溫度變幅較大,熱脹冷縮次數(shù)較多,使得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了永久性形變。配方為D 的材料表面孔隙要明顯比配方為A 的要大,孔隙所占的比重也大。這是由于配方D中加入了石油瀝青質(zhì)量的55 %的粉劑,而采用的粉劑為粉煤灰,該材料的顆粒很細(xì),比表面積較大,吸附水的能力很強(qiáng)。雖對(duì)粉劑已進(jìn)行了干燥處理,但其強(qiáng)吸水性使得粉劑必然要向材料中引入額外的水分,而水分進(jìn)而與甲組分預(yù)聚體中的異氰酸酯基團(tuán)( - NCO) 發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳,二氧化碳排出不徹底便在接縫材料中產(chǎn)生氣泡。

2. 3 　拉伸功的提出

　　在研究過程中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)材料粘接性能的說明通常是用材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率2 個(gè)指標(biāo)來單獨(dú)分析[5～7 ] ,而實(shí)際上拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率是相互聯(lián)系的。材料的拉伸破壞可以看作是外力對(duì)材料拉伸做功的過程,在這個(gè)過程中外力是隨時(shí)間變化的函數(shù),但方向始終不變,表征斷裂伸長(zhǎng)率的伸長(zhǎng)量就是在拉伸力的方向上的距離。設(shè)在時(shí)間t0 , t1 , t2 , t3 , ⋯, tn 時(shí),拉伸力的大小為f ( t0 ) , f ( t1 ) , f ( t2 ) , f ( t3 ) , ⋯, f ( tn ) ,回歸分析得到拉伸力F 隨時(shí)間t 變化的函數(shù):

F = f ( t)

　　為得到拉伸過程中的拉伸力的等效值,將函數(shù)積分,于是有:

　　在實(shí)際應(yīng)用過程中,發(fā)現(xiàn)從拉伸開始到時(shí)間t0 過程可以近似看作力隨時(shí)間成直線變化,整個(gè)拉伸力等效值的求解過程如圖5 所示:圖5 　拉伸功計(jì)算示意圖

　　最后得到拉伸力的等效值為:

　　拉伸力在整個(gè)拉伸斷裂過程中所做的功為:

W = .F ·L (4)

　　式中:W 稱之為拉伸功; L 為材料拉伸斷裂時(shí)的拉伸長(zhǎng)度。

　　拉伸功將拉伸力和伸長(zhǎng)量用功的概念聯(lián)系起來描述材料的粘接性能,把材料拉伸斷裂過程看作是拉伸力做功的過程,可更好的說明材料的粘接性能,揭示材料拉伸斷裂破壞的本質(zhì)。

　　對(duì)凍融后100 次后的A 進(jìn)行了拉伸功計(jì)算,結(jié)果表明其拉伸功為8. 36 J ,在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)F = f ( t) 曲線段的回歸系數(shù)為0. 9875 ,這說明拉伸功計(jì)算可實(shí)現(xiàn)且精度較高。計(jì)算中涉及到微積分計(jì)算,選用軟件E2quation Grap her 完成。

3 　結(jié)　論

　　1) 200 次凍融處理后不同配方材料的拉伸強(qiáng)度均有所下降,但下降后的材料拉伸強(qiáng)度仍明顯高于規(guī)范規(guī)定值0. 2 MPa ,材料的斷裂伸長(zhǎng)率也有所下降,但下降后的值還可以滿足渠道變形的要求。適當(dāng)添加填料(如粉煤灰) 一方面可以降低材料成本,另一方面可改善接縫材料的抗凍性能。

　　2) 添加填料的材料表面孔隙明顯比未加填料的材料要大要多,這種孔隙是由于反應(yīng)中產(chǎn)生CO2 引起

的,孔隙度的增多使得材料的密度變小,從而達(dá)到降低材料成本的目的。凍融處理后不同配方材料的表面孔隙均有所增大,是材料破壞的一種表現(xiàn)。

　　3) 拉伸功概念的引出,將拉伸力和伸長(zhǎng)量用功聯(lián)系起來,從理論上講,可彌補(bǔ)以往用相互聯(lián)系的2 個(gè)量(拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)量) 單獨(dú)說明材料粘接性能的缺陷,可用于說明材料拉斷破壞的過程與實(shí)質(zhì),但如要用拉伸功替代拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率來評(píng)價(jià)渠道接縫材料,還有待于進(jìn)一步探討。

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