摘 要: 对一种新型混凝土渠道接缝材料的抗冻性能进行了研究。经过200 次冻融循环,发现不同处理的材料拉伸强度均有下降趋势,添加0 % ,10 % ,35 % ,55 %粉煤灰的材料拉伸强度与对照比较分别下降了29 % ,5 % ,30 % ,25 % ,在材料中添加适量填料可改善材料性能,拉伸强度下降最小的材料与对照比较只下降了5 %;同时材料的断裂拉伸率也有下降趋势;冻融处理后材料表面的孔隙明显变大、增多。该材料的抗冻性能优良,在我国北方地区推广应用尤为适宜。
关 键 词: 接缝材料; 抗冻性能; 拉伸强度; 断裂伸长率; 微观结构
中图分类号: TV44 文献标识码: A
一些发达国家非常重视伸缩缝的质量,美国多采用弹性人造橡胶、聚氯乙烯止水带作伸缩缝止水材料。日本则多采用止水板(即橡胶止水带) 、沥青、沥青玛蹄脂及弹性玛蹄脂或密封胶[2 ] 。在我国,渠道接缝材料主要为沥青砂浆和焦油塑料胶泥,前者耐高低温性能较差,冬季易脆裂,夏季易流淌,不是理想材料;后者需要热施工,在渠道底部或水平缝中易施工,但在渠道边坡和U 形渠道中,熔化后的胶泥流体流淌,难以灌到缝中[ 3 ] 。所以在渠道工程中采用一种具有良好弹性和粘接性的能够冷施工的接缝材料显得尤为重要。
研发的一种双组分反应型石油沥青聚氨酯接缝材料,获得国家发明专利,专利号码为ZL200310118992.X。并在甘肃的渡槽接缝、青海的渡槽及青海、陕西的渠道接缝,还有高速公路等工程上有所应用,施工效果较好。为了更好的在广大北方地区推广应用,进行材料的抗冻性能研究是很有必要的。
1 试验材料与方法
1. 1 主要原材料
采用国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心自主开发的PTN 新型渠道接缝材料,该材料包括甲乙2 种组分。甲组分:异氰酸酯、含活泼氢材料、催化剂;乙组分:石油沥青、环烷烃烯烃混合油、MOCA (3 ,3’- 二氯- 4 ,4’- 二氨基- 二苯基甲烷) 、粉煤灰、甲苯。
1. 2 试样制备
在一般传统配方的基础上,在乙组分中添加了粉煤灰,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为4 种处理,代号分别为A ,B ,C ,D ,处理差异如表1 所示,表1中,粉煤灰含量为粉煤灰质量与石油沥青质量之比。
甲乙组分混合配比选用质量比1 ∶2 ,标记为A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 ,另制备水泥砂浆块若干,规格为75 mm ×25 mm ×12 mm。
按照上述4 种处理浇注成型如图1 所示,浇注前砂浆块需去浮灰,用相应的底料涂底,甲乙组分要混合均匀。
每个处理成型15 个,在砂浆块上用记号笔标号,成型后放置1 个月,备用。
1. 3 性能测定
将试块放入水中浸泡饱和24 h ,擦干试块表面。将制冷设备调温到- 25 ℃,把成型试块按照不同处理装入4 个网袋里,放入冷藏室,冷冻4 h 。4 h 后,将试块从网袋中取出,分别放入盛水的4 个盆内,解冻4 h ,此过程计为冻融1 次。再次放入冷藏室前,用干布将试块上的表层水擦干。如此1 d 可进行冻融3 次。冻融25 、50 、100 、150 、200 次时分别从每一类试样中选取3 块(1 组) 试块,留作性能测定用。取出的试块自然风干,待全部试块取出并干燥后对其拉伸强度及材料内部结构进行测定和观测。其中拉伸强度用土工强力试验机测定,设备型号为YT010 -1000 ,拉伸速度设定为5 mm/ min 。材料微观结构用电镜扫描,电镜为荷兰Philip s2FEI 公司生产,型号Quanta200 ,分辨率3. 5 nm。
2 结果与讨论
2. 1 冻融处理对接缝材料粘接性能的影响
为了探讨冻融处理对接缝材料粘接性能的影响, 对A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 4 种处理冻融25 、50 、100 、150 、200次后的拉伸强度进行了测定。以3 次重复的平均值表示材料拉伸强度,见图2 。但4 种处理的接缝材料的粘接性能受冻融影响都较小。
由图2 可看出,材料经过冻融处理后的拉伸强度均有下降趋势。但拉伸强度并未成规律性的下降而成波动性变化,这可能是由于实验室条件下材料混合不均或粘接界面即砂浆块表面差异造成的。比较了冻融25 次和200 次后的材料拉伸强度,发现A1 ∶2 下降29 % ,B1 ∶2 下降5 %,C1 ∶2 下降30 %,D1 ∶2 下降25 % ,下降后的拉伸强度均显著超过规范上规定的值0. 2 MPa 。还可以看出,在接缝材料的合成过程中添加适当量的填充剂(如粉煤灰) 可明显改善材料的抗冻性能,B1 ∶2 配方中添加10 %的粉煤灰,使得冻融处理后材料的拉伸强度只下降5 %。这是由于材料中的粉剂起到类似混凝土中砂骨料的作用,使得材料的拉伸强度变大。
对A 1 ∶2 ,B1 ∶2 ,C1 ∶2 , D1 ∶2 4 种处理冻融25 、50 、100 、150 、200 次后的断裂伸长率进行测定,见图3 。可以看出,材料经过冻融处理后的断裂伸长率均有下降趋势,和拉伸强度类似,也存在着数值上的波动。另外,随着粉煤灰添加量的增加材料的断裂伸长率均有所下降,这是由于材料中添加了硬性的粉煤灰材料使得材料的强度变大而形变能力变小。
综合图2 ,图3 可以看出,添加粉煤灰后,材料的拉伸强度变大,断裂伸长率变小。这是由于粉煤灰是硬性材料,不参与材料合成反应,只是一种结构性材料,可增大材料的强度,降低材料的塑性。
2. 2 冻融处理后接缝材料微观结构的变化
为了探讨冻融对材料微观结构的影响,对A1 ∶2 ,D1 ∶2 2 种配方材料冻融25 次、200 次的微观结构在电镜下进行了扫描观测见图4 。
由图4 可以看出冻融处理使得2 种配方材料表面上的孔隙增大。这是冻融处理对材料产生的机械破坏的一种表现,可能是由于材料在冻融过程中,温度变幅较大,热胀冷缩次数较多,使得材料内部结构发生了永久性形变。配方为D 的材料表面孔隙要明显比配方为A 的要大,孔隙所占的比重也大。这是由于配方D中加入了石油沥青质量的55 %的粉剂,而采用的粉剂为粉煤灰,该材料的颗粒很细,比表面积较大,吸附水的能力很强。虽对粉剂已进行了干燥处理,但其强吸水性使得粉剂必然要向材料中引入额外的水分,而水分进而与甲组分预聚体中的异氰酸酯基团( - NCO) 发生反应生成二氧化碳,二氧化碳排出不彻底便在接缝材料中产生气泡。
2. 3 拉伸功的提出
在研究过程中,发现当前对材料粘接性能的说明通常是用材料的拉伸强度和断裂伸长率2 个指标来单独分析[5～7 ] ,而实际上拉伸强度和断裂伸长率是相互联系的。材料的拉伸破坏可以看作是外力对材料拉伸做功的过程,在这个过程中外力是随时间变化的函数,但方向始终不变,表征断裂伸长率的伸长量就是在拉伸力的方向上的距离。设在时间t0 , t1 , t2 , t3 , ⋯, tn 时,拉伸力的大小为f ( t0 ) , f ( t1 ) , f ( t2 ) , f ( t3 ) , ⋯, f ( tn ) ,回归分析得到拉伸力F 随时间t 变化的函数:
F = f ( t)
为得到拉伸过程中的拉伸力的等效值,将函数积分,于是有:
在实际应用过程中,发现从拉伸开始到时间t0 过程可以近似看作力随时间成直线变化,整个拉伸力等效值的求解过程如图5 所示:图5 拉伸功计算示意图
最后得到拉伸力的等效值为:
拉伸力在整个拉伸断裂过程中所做的功为:
W = .F ·L (4)
式中:W 称之为拉伸功; L 为材料拉伸断裂时的拉伸长度。
拉伸功将拉伸力和伸长量用功的概念联系起来描述材料的粘接性能,把材料拉伸断裂过程看作是拉伸力做功的过程,可更好的说明材料的粘接性能,揭示材料拉伸断裂破坏的本质。
对冻融后100 次后的A 进行了拉伸功计算,结果表明其拉伸功为8. 36 J ,在计算过程中发现F = f ( t) 曲线段的回归系数为0. 9875 ,这说明拉伸功计算可实现且精度较高。计算中涉及到微积分计算,选用软件E2quation Grap her 完成。
3 结 论
1) 200 次冻融处理后不同配方材料的拉伸强度均有所下降,但下降后的材料拉伸强度仍明显高于规范规定值0. 2 MPa ,材料的断裂伸长率也有所下降,但下降后的值还可以满足渠道变形的要求。适当添加填料(如粉煤灰) 一方面可以降低材料成本,另一方面可改善接缝材料的抗冻性能。
2) 添加填料的材料表面孔隙明显比未加填料的材料要大要多,这种孔隙是由于反应中产生CO2 引起
的,孔隙度的增多使得材料的密度变小,从而达到降低材料成本的目的。冻融处理后不同配方材料的表面孔隙均有所增大,是材料破坏的一种表现。
3) 拉伸功概念的引出,将拉伸力和伸长量用功联系起来,从理论上讲,可弥补以往用相互联系的2 个量(拉伸强度和伸长量) 单独说明材料粘接性能的缺陷,可用于说明材料拉断破坏的过程与实质,但如要用拉伸功替代拉伸强度、断裂伸长率来评价渠道接缝材料,还有待于进一步探讨。
参考文献:
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