基于動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析的非水反應(yīng)高聚物材料動(dòng)態(tài)黏彈特性

李 嘉， 陳 碩， 張景偉， 王巨龍

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450002)

中國(guó)基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，規(guī)模巨大且安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中以水引發(fā)的工程災(zāi)害尤為突出，決堤、潰壩事故多有發(fā)生，隧道、地鐵、基坑等常滲漏涌水，城市道路坍塌事件頻發(fā)等.針對(duì)水反應(yīng)材料在應(yīng)急搶險(xiǎn)方面存在的不足，鄭州大學(xué)王復(fù)明院士團(tuán)隊(duì)通過多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，改性預(yù)聚體親水組分，研制出不受水影響的新型防滲修復(fù)材料——非水反應(yīng)高聚物材料.非水反應(yīng)高聚物材料是由高聚物原料A(異氰酸酯)和高聚物原料B(多元醇)在高壓注射后反應(yīng)生成的聚合物，全程不需水的參與，因此被稱為非水反應(yīng)高聚物材料.與常規(guī)水泥類材料和水反應(yīng)高聚物材料相比，非水反應(yīng)高聚物材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)環(huán)保，對(duì)環(huán)境無污染；(2)耐久，地下工程無紫外線條件下壽命可達(dá)100a；(3)早強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間數(shù)分鐘至數(shù)秒；(4)適應(yīng)性強(qiáng)，強(qiáng)度和密度可調(diào)，且現(xiàn)場(chǎng)有水或無水均能適應(yīng).

目前針對(duì)非水反應(yīng)高聚物材料力學(xué)性能的研究多集中于靜態(tài)方面，如石明生等[1]、劉志遠(yuǎn)[2]、高翔等[3]對(duì)其進(jìn)行了壓縮、彎曲、拉伸等試驗(yàn)研究，獲得了材料靜態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)成果；李嘉等[4]利用壓電陶瓷彎曲元測(cè)試技術(shù)開展了高聚物注漿材料小應(yīng)變動(dòng)剪切模量的研究等.然而，非水反應(yīng)高聚物材料是一種典型的黏彈性聚氨酯類材料，在承受動(dòng)態(tài)載荷過程中，其黏彈性與各種因素密切相關(guān)，目前已受到越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5-7].動(dòng)態(tài)熱機(jī)械力學(xué)分析(DMA)方法是目前研究聚氨酯類材料動(dòng)態(tài)黏彈性能的主要方法之一[8]，Sham等[9]對(duì)聚氨酯類復(fù)合材料進(jìn)行了DMA試驗(yàn)，探討了材料黏彈性與溫度和頻率的關(guān)系；Hartmann等[10]基于DMA，研究了22種聚氨酯材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)，并在材料的動(dòng)黏彈參數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系基礎(chǔ)上構(gòu)建了主曲線；Dadbin等[11]利用DMA研究了交聯(lián)密度對(duì)聚氨酯材料儲(chǔ)能模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響；Jayakumari等[12]采用DMA研究了高頻率范圍內(nèi)聚氨酯材料的黏彈性信息，并分析了材料在水下的力學(xué)特性差異；劉涼冰[13]基于DMA溫譜圖，分析了不同影響因素對(duì)聚氨酯材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律；孫嘉鵬等[14]利用DMA研究了不同結(jié)構(gòu)聚氨酯材料的動(dòng)態(tài)黏彈特性，并根據(jù)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分析了材料的耐熱性能；丁雪佳等[15]研究了進(jìn)水量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯材料力學(xué)性能的影響.綜上，聚氨酯類材料在動(dòng)載作用下的黏彈性與溫度、頻率、水環(huán)境及材料密度有較大的相關(guān)性.

在實(shí)際工程應(yīng)用中，非水反應(yīng)高聚物材料經(jīng)常處于移動(dòng)車輛、高鐵甚至地震荷載等動(dòng)載作用下，應(yīng)用地理區(qū)域跨度較大，工程覆蓋了季凍區(qū)、熱帶氣候區(qū)、高山高原區(qū)等，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境又可分為有水或無水等，且不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔畚锊牧厦芏纫笠嗖煌?因此，針對(duì)多種工程中的高聚物防滲加固結(jié)構(gòu)，開展不同溫度、頻率、密度及浸水條件下非水反應(yīng)高聚物材料的動(dòng)態(tài)黏彈特性研究具有重大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

本文首次將動(dòng)態(tài)熱機(jī)械力學(xué)分析方法應(yīng)用于非水反應(yīng)高聚物材料動(dòng)黏彈特性研究，解決精確測(cè)試非水反應(yīng)高聚物材料動(dòng)黏彈特性關(guān)鍵問題，探討溫度(T)、頻率(f)、密度(ρ)、浸泡條件對(duì)非水反應(yīng)高聚物材料黏彈特性的影響.研究結(jié)論可為高聚物注漿材料的應(yīng)用和發(fā)展提供理論參考.

1 非水反應(yīng)高聚物材料DMA試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)＞呒笆┕すに?/h3>

非水反應(yīng)高聚物材料在雙組分基料完全反應(yīng)固化前具有流動(dòng)性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖1所示的模具以成型試樣.該模具由上下鋼板以及中間的空心夾板構(gòu)成，空心夾板厚度為2mm，上鋼板設(shè)置注漿孔，上下鋼板通過螺栓固定.

圖1 非水反應(yīng)高聚物材料試驗(yàn)?zāi)＞逨ig.1 Mould of non-water reacted polymer materials

非水反應(yīng)高聚物材料的密度ρ與反應(yīng)膨脹力P相關(guān)，其相關(guān)關(guān)系如圖2所示.從圖2可看出：該材料在ρ=0.27～0.60g/cm3區(qū)域，P可達(dá)0.5～2.7MPa，依靠其自身膨脹力，漿液可充滿整個(gè)模具內(nèi)部成型試件；然而，對(duì)于低密度區(qū)間(ρ=0～0.20g/cm3)的試件，因其注漿量小、膨脹力弱，反應(yīng)時(shí)又會(huì)產(chǎn)生大量氣體，阻礙漿液的流動(dòng)，易造成試件密度不均勻或密度過大.針對(duì)低密度區(qū)間的試件，設(shè)計(jì)如圖1(b)所示的出氣閥，注漿時(shí)打開該閥門，以排除反應(yīng)氣體，使得少量的漿液能充滿模具內(nèi)部空間.經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，效果良好.

圖2 非水反應(yīng)高聚物材料膨脹力與密度的關(guān)系Fig.2 Relationship between expansion force and density of non-water reacted polymer materials

1.2 試件制作

試件制作采用向模具內(nèi)注漿成型的方法.制作過程為：注漿前先將模具內(nèi)壁涂抹一定量的潤(rùn)滑劑，組合好模具并擰緊螺栓，同時(shí)通過注漿設(shè)備預(yù)熱高聚物原料A(異氰酸酯)和高聚物原料B(多元醇)；采用注漿槍，將雙組分漿液加壓注入模具注漿孔；注漿結(jié)束靜置15min，然后松開螺栓、打開模具并取出試件.

工程上常用的非水反應(yīng)高聚物材料密度區(qū)間為0～0.6g/cm3.本次試驗(yàn)共劃分6個(gè)密度區(qū)間，分別為0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6g/cm3.按照所需密度計(jì)算注漿量，每區(qū)間制備3～5個(gè)試件.根據(jù)試驗(yàn)要求，將模具中成型的試件切割成尺寸為50mm×13mm×2mm的長(zhǎng)方體試樣.

1.3 動(dòng)態(tài)黏彈特性的試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)方法和夾具

針對(duì)不同聚氨酯材料的彈性模量和類型，可進(jìn)行不同變形模式(三點(diǎn)彎曲、懸臂、剪切、壓縮、拉伸等)下的DMA試驗(yàn).其中：三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法屬于純變形模式，適合高彈性模量材料；單、雙懸臂梁測(cè)試方法適合研究高阻尼的金屬材料；剪切方法適合評(píng)估彈性體或膠黏劑；壓縮測(cè)試多用于測(cè)量低中彈性模量的彈性體，而拉伸模式是評(píng)價(jià)薄膜及纖維的最佳測(cè)試方法.非水反應(yīng)高聚物材料彈性模量與密度的關(guān)系見圖3.非水反應(yīng)高聚物材料的彈性模量通常在10～102MPa之間，屬于彈性模量較高的材料，宜采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，且該試驗(yàn)方法也符合高聚物材料在實(shí)際工程中的受力情況，可模擬實(shí)際工況，精確測(cè)試該材料的黏彈特性.

圖3 非水反應(yīng)高聚物材料彈性模量與密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between elastic modulus and density of non-water reacted polymer materials

實(shí)際工程中，非水反應(yīng)高聚物注漿材料常應(yīng)用于水災(zāi)害防治工程，因此材料在水環(huán)境下的動(dòng)態(tài)黏彈性是本試驗(yàn)研究的一個(gè)重點(diǎn).試驗(yàn)采用的浸泡夾具實(shí)物圖和測(cè)試示意圖見圖4.

圖4 DMA浸泡夾具Fig.4 Immersion clamp for DMA test

1.3.2試驗(yàn)振幅

過小的振幅無法提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，過大的振幅會(huì)使材料因變形過大而超出其黏彈性區(qū)域，因此合適的振幅是精確測(cè)試材料黏彈性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵.由于非水反應(yīng)高聚物注漿材料是新型材料，無前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用，需通過試驗(yàn)來確定其振幅.非水反應(yīng)高聚物材料溫度譜和頻率譜與振幅關(guān)系見圖5.由圖5可知，該材料在溫度譜掃描振幅為50μm、頻率譜掃描振幅為20μm時(shí)，振幅穩(wěn)定且儲(chǔ)能模量和損耗因子曲線無較大波動(dòng)和跳躍點(diǎn)，符合一般規(guī)律，因此確定50μm和20μm為非水反應(yīng)高聚物材料試驗(yàn)時(shí)的溫度譜掃描振幅和頻率譜掃描振幅.

圖5 DMA測(cè)試振幅Fig.5 Amplitude of DMA test

1.3.3試驗(yàn)溫度譜及頻率范圍

為確定試驗(yàn)溫度譜范圍，參考常見聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，見表1.由表1可知，-100～250℃已涵蓋了大多數(shù)聚合物的Tg，而非水反應(yīng)高聚物材料屬于聚合物的一種，因此選擇-100～250℃ 作為其掃描溫度.同時(shí)，為精確測(cè)量該材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，升溫速率定為3℃/min.

在實(shí)際工程中，高聚物材料常用來修復(fù)高速公路或高速鐵路軌道板沉陷，遭受的最高沖擊速度可達(dá)300km/h.為模擬其工作環(huán)境，將最高頻率定為40Hz.

表1 常用聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

1.4 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行，所采用的儀器為DMAQ800動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀.該儀器具有頻率范圍寬廣、熱控制精準(zhǔn)及較好的可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn).

DMA試驗(yàn)方案為：(1)不同密度非水反應(yīng)高聚物材料頻率譜掃描試驗(yàn)；(2)不同密度非水反應(yīng)高聚物材料溫度譜掃描試驗(yàn)；(3)浸泡條件下不同密度的非水反應(yīng)高聚物材料頻率譜掃描試驗(yàn).3種試驗(yàn)方案見表2～4.

表2 頻率譜試驗(yàn)方案

表3 溫度譜試驗(yàn)方案

表4 浸泡條件下的頻率譜試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 頻率譜掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

按照表2的試驗(yàn)方案進(jìn)行非水反應(yīng)高聚物材料頻率譜試驗(yàn)，可得其在不同密度和不同溫度下的儲(chǔ)能模量E′、損耗模量E″及損耗因子tanθ頻率譜.根據(jù)tanθ=E′/E″，可用損耗因子tanθ來代替損耗模量E″進(jìn)行分析.

圖6為非水反應(yīng)高聚物材料頻率譜，即非水反應(yīng)高聚物材料的儲(chǔ)能模量E′、tanθ與頻率f的關(guān)系譜圖.由于高聚物材料的特殊性，實(shí)際注漿時(shí)密度會(huì)有誤差，為使試驗(yàn)更接近真實(shí)情況，每個(gè)密度區(qū)間均取3個(gè)密度稍有不同的試件進(jìn)行試驗(yàn)，以下皆同.

由圖6可知：不同密度、不同溫度下的非水反應(yīng)高聚物材料儲(chǔ)能模量隨頻率變化的規(guī)律基本一致，都分為2個(gè)階段：在較低頻率時(shí)，儲(chǔ)能模量隨頻率的增加而增加；達(dá)到20Hz左右之后，又隨頻率的增加而減小，其中又以低密度區(qū)間的高聚物材料(0～0.2g/cm3)減小趨勢(shì)較為明顯.試驗(yàn)結(jié)果反映了黏彈性材料的滯后現(xiàn)象，而滯后現(xiàn)象還強(qiáng)烈地依賴于外荷載的作用頻率[6].這是因?yàn)椋寒?dāng)材料處于較小的荷載作用頻率時(shí)，隨著頻率增加，交變荷載施加的時(shí)間逐漸小于材料內(nèi)部分子鏈及鏈段的松弛時(shí)間，鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上應(yīng)力的變化，分子鏈無法重新排列，材料剛性增強(qiáng)，儲(chǔ)能模量增加，這與文獻(xiàn)[16，9]結(jié)論一致；當(dāng)頻率超過20Hz后，由于交變荷載的作用使材料內(nèi)部糾纏在一起的分子鏈及鏈段振動(dòng)開來，分子鏈段長(zhǎng)度增加，材料剛性減弱，導(dǎo)致其儲(chǔ)能模量下降，且材料密度越小，其分子鏈長(zhǎng)度越短、鏈段間纏繞作用越小，在交變荷載作用下，鏈段間更容易相互分離，其下降速率也就越快.

儲(chǔ)能模量是指黏彈性材料在交變應(yīng)力作用下1個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)存能量的能力，儲(chǔ)能模量高說明材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力強(qiáng)，應(yīng)力去除后回復(fù)原來形變的能力強(qiáng).由以上分析可知，當(dāng)外界施加頻率超過20Hz后，非水反應(yīng)高聚物材料儲(chǔ)能模量下降，尤其是低密度材料的下降速率較快.因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)外荷載速度超過150km/h時(shí)，如高鐵軌道板沉降修復(fù)工程等，要注意其儲(chǔ)能模量的下降對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的影響.

圖6 不同密度非水反應(yīng)高聚物材料頻率譜Fig.6 Frequency-dependency for non-water reacted polymer materials with different densities at different temperatures

由圖6還可知，不同密度、不同溫度下的非水反應(yīng)高聚物材料損耗因子隨頻率變化的規(guī)律為：在0～20Hz 頻率區(qū)間內(nèi)，損耗因子隨頻率的增加而略有減??；在20～40Hz頻率范圍內(nèi)，損耗因子隨頻率的增加而急速增大.這主要是黏彈性材料自身的力學(xué)損耗性質(zhì)所致[6]，材料內(nèi)部分子鏈間的摩擦作用會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致一部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而被損耗掉.在頻率較小時(shí)，隨著頻率增加，鏈段的運(yùn)動(dòng)逐漸跟不上外力的變化，分子鏈間的摩擦減少，能量損耗降低，損耗因子減??；當(dāng)頻率超過20Hz后，分子鏈及鏈段之間作用較多且黏滯阻力增大，造成的損耗能量較多，因此損耗因子急速增加.

損耗因子是每周期耗散能量與1個(gè)周期內(nèi)的最大貯能之比，反映了能量的耗散情況.損耗因子的急劇上升對(duì)應(yīng)的是能量的大量吸收，可起到阻尼減震的功能.然而由圖6可知，隨著材料密度的增加，其儲(chǔ)能模量和損耗因子均出現(xiàn)增加趨勢(shì).結(jié)合前文中儲(chǔ)能模量在20Hz以上的頻率下有下降趨勢(shì)，建議為了提高加固工程的剛度及減震性能，在不突破工程造價(jià)和滿足其他功能的前提下，應(yīng)盡可能增加高聚物材料密度.

2.2 溫度譜掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

聚合物的宏觀物理性質(zhì)幾乎是由其力學(xué)狀態(tài)和熱轉(zhuǎn)變溫度決定的.通過溫度譜可以了解材料內(nèi)部分子的運(yùn)動(dòng)，揭示高聚物的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系.圖7為非水反應(yīng)高聚物材料的溫度譜，即非水反應(yīng)高聚物材料的儲(chǔ)能模量E′、tanθ與溫度的關(guān)系譜圖.

2.2.1低溫性能分析

柔性是高聚物材料最重要的使用性能，但當(dāng)溫度降到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，柔性的高彈態(tài)就會(huì)變成剛硬的玻璃態(tài).在低溫區(qū)，有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度，即次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度，如高聚物材料密度為0.086g/cm3時(shí)，其次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度為-73℃.各密度下的非水反應(yīng)高聚物材料次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度見表5.次級(jí)轉(zhuǎn)變是由小于鏈段的小尺寸結(jié)構(gòu)單元(如鏈節(jié)、側(cè)基、鍵長(zhǎng)鍵角等)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變引起的松弛過程.雖然主鏈在低溫下處于“凍結(jié)”狀態(tài)，但某些小于鏈段的小運(yùn)動(dòng)單元仍具有運(yùn)動(dòng)能力[15]，在外力作用下，可產(chǎn)生大形變而吸收能量.而正是由于這個(gè)溫度的存在，才使得高聚物材料能在低溫下保持柔軟性.這個(gè)溫度越低，其耐寒性及抗低溫沖擊性就越好.由表5可知，不同密度的非水反應(yīng)高聚物材料次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度為-60～-92℃，因此當(dāng)該材料在冬季應(yīng)用于中國(guó)寒區(qū)、季凍區(qū)等地帶時(shí)，亦可保持柔性，其耐寒性及抗低溫沖擊性能良好.

圖7 不同密度非水反應(yīng)高聚物材料溫度譜Fig.7 Temperature-dependency for non-water reacted polymer materials with different densities

表5 非水反應(yīng)高聚物材料的次級(jí)轉(zhuǎn)變溫度

2.2.2耐熱性分析

非水反應(yīng)高聚物材料的耐熱使用標(biāo)準(zhǔn)，就物理意義而言是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg.由圖7可知，高聚物材料在50℃以后，隨著溫度的升高，能夠自由運(yùn)動(dòng)的鏈段數(shù)目增多，其多余的能量就損耗成熱能.在這一區(qū)域內(nèi)，損耗因子曲線隨溫度升高先急劇上升并出現(xiàn)損耗峰，最后又下降；而儲(chǔ)能模量曲線隨溫度升高而迅速下降，然后基本保持不變，試樣表現(xiàn)出高彈態(tài)，這一溫度范圍稱為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū).在此區(qū)域內(nèi)，凍結(jié)的鏈段開始運(yùn)動(dòng)，但體系黏度還很高，內(nèi)摩擦很大，鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上外部應(yīng)力或應(yīng)變的變化，因此應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位差很大，表現(xiàn)出較大的力學(xué)損耗.在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，力學(xué)損耗出現(xiàn)一個(gè)極大值，對(duì)應(yīng)的溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.

由圖7可得到各密度下非水反應(yīng)高聚物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為140～175℃.由此可見，其最低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也遠(yuǎn)超該材料目前的使役溫度，因此，當(dāng)該材料在夏季應(yīng)用于熱帶地區(qū)基礎(chǔ)工程防滲加固工程中時(shí)，在高溫下的形變能力較好，耐熱性良好.

2.3 浸泡條件下頻率譜掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)浸泡溫度25℃，在浸泡條件下和非浸泡條件下不同密度非水反應(yīng)高聚物材料的對(duì)比頻率譜如圖8所示.

由圖8可見：浸泡條件下高聚物材料的儲(chǔ)能模量要小于非浸泡條件下的數(shù)值，而損耗因子要大于非浸泡條件下的數(shù)值.這與水分子增塑作用相關(guān)，在浸泡過程中，部分水分子進(jìn)入高聚物材料內(nèi)部[17]，水分子間的氫鍵使分子間作用力增強(qiáng)，在外荷載作用下，能量損耗增多，從而使其損耗因子增加、儲(chǔ)能模量降低.

從圖8還可看出：浸泡條件下高聚物材料的儲(chǔ)能模量主要受其密度影響較大，而受頻率的影響較小.由于密度與儲(chǔ)能模量的關(guān)系較復(fù)雜，應(yīng)首先確定頻率與儲(chǔ)能模量間的關(guān)系，再分析密度與儲(chǔ)能模量間的聯(lián)系.以密度0.585g/cm3的非水反應(yīng)高聚物材料為例，其儲(chǔ)能模量E′與頻率f的關(guān)系可用下列線性關(guān)系式表示：

E′=t+kf

(1)

式中：t、k為常數(shù).

圖9為非水反應(yīng)高聚物材料密度與參數(shù)t、k的關(guān)系曲線.

由圖9可知，參數(shù)t、k與密度ρ呈線性關(guān)系，關(guān)系式為：

t=1004.11ρ-138.50

(2)

k=3.35ρ-0.36

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)中，可得非水反應(yīng)高聚物材料儲(chǔ)能模量E′與密度ρ和頻率f的關(guān)系，見下式：

E′=m+nρ+pf+qρf

(4)

圖8 浸泡條件和非浸泡條件下不同密度非水反應(yīng)高聚物材料的頻率譜Fig.8 Comparison of frequency-dependency for non-water reacted polymer materials with different densities under immersion and non-immersion conditions

圖9 參數(shù)t、k與非水反應(yīng)高聚物材料密度的關(guān)系Fig.9 Relationship between parameter t,k and density of non-water reacted polymer materials

式中：m、n、p、q均為常數(shù)，m=-137.5MPa；n=1004MPa·cm3/g；p=-0.4MPa/Hz；q=3.7MPa·cm3/(g·Hz).

將各密度下非水反應(yīng)高聚物材料的損耗因子在浸泡條件下的平均值與密度的關(guān)系繪于圖10.由圖10可知，非水反應(yīng)高聚物材料的密度越大，其浸泡條件下的損耗因子越大.用線性關(guān)系擬合該曲線，其相關(guān)系數(shù)超過0.92，關(guān)系式如下：

tanθ=aρ+b

(5)

式中：a、b均為常數(shù)，a=0.0292cm3/g；b=0.0518.

式(4)、(5)可作為水利基礎(chǔ)設(shè)施高聚物材料防滲加固工程中材料動(dòng)態(tài)黏彈性參數(shù)計(jì)算公式.

圖10 浸泡條件下非水反應(yīng)高聚物材料損耗因子與密度的關(guān)系Fig.10 Relationship between loss factor and density of non-water reacted polymer materials under immersion condition

3 結(jié)論

(1)首次將動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析方法引入到非水反應(yīng)高聚物材料動(dòng)態(tài)黏彈性研究中.其中，試驗(yàn)方法、測(cè)試振幅及溫度、頻率范圍是影響精確測(cè)定非水反應(yīng)高聚物材料動(dòng)態(tài)黏彈性的重要因素，需進(jìn)行測(cè)試來選擇合適的方法和參數(shù)，獲取一致性較好的數(shù)據(jù).

(2)不同密度、不同溫度下的非水反應(yīng)高聚物材料儲(chǔ)能模量和損耗因子隨頻率變化規(guī)律均分為2個(gè)階段：0～20Hz彈性增加、黏性下降；20～40Hz彈性下降、黏性增加，這與高聚物材料內(nèi)部分子鏈及鏈段的運(yùn)動(dòng)難易密切相關(guān).因此在應(yīng)用高聚物材料處治路基病害時(shí)，快速移動(dòng)荷載(如汽車、列車)所引起的儲(chǔ)能模量下降問題需引起注意.

(3)非水反應(yīng)高聚物材料密度對(duì)其動(dòng)態(tài)黏彈特性的影響在于：材料密度越小，其分子鏈間纏繞作用越小，分子鏈越短，導(dǎo)致其儲(chǔ)能模量也越小.尤其在低密度區(qū)間(0.2～0.3g/cm3)，材料的纏繞度和長(zhǎng)度到達(dá)臨界值，隨著密度的減小，儲(chǔ)能模量下降速率較快.建議在不突破工程造價(jià)的前提下，盡可能增加材料密度以提高加固工程的剛度及抗阻尼減震性能.

(4)非水反應(yīng)高聚物材料具有良好的耐寒性及耐熱性，這與高聚物材料小運(yùn)動(dòng)單元的力學(xué)損耗相關(guān).經(jīng)測(cè)試，該材料在-60～140℃的范圍內(nèi)仍具有較好的抗低溫沖擊能力和抗高溫變形能力，因此該材料可廣泛應(yīng)用于熱帶、寒帶等基礎(chǔ)工程設(shè)施水災(zāi)害防治與修復(fù)工程中.

(5)相同密度的非水反應(yīng)高聚物材料在浸泡條件下儲(chǔ)能模量減小而損耗因子增加，這是由水分子的增塑作用所引起.擬合的浸泡條件下該材料儲(chǔ)能模量、損耗因子與密度和頻率的函數(shù)關(guān)系式可為其工程動(dòng)力反應(yīng)分析提供參考.