腐蝕老化對聚乙烯丙綸卷材搭接區(qū)抗拉性能的影響

劉曉慶，王海彥，李君君，孔 超， 任松波，劉傳濤

(1.石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院， 河北 石家莊 051132； 2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；3.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河北 石家莊 050041； 4.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010； 5.西南科技大學(xué) 工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010； 6.中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

聚乙烯丙綸卷材作為一種高性能防水材料，具有質(zhì)量輕、韌性好、造價低以及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)的各類防滲領(lǐng)域。然而，該材料在長期服役過程中，環(huán)境與服役荷載的綜合作用往往使其出現(xiàn)不同程度的老化問題。調(diào)查表明[1-3]，丙綸防水卷材服役期內(nèi)的老化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，尤其是搭接部位常常未達(dá)到設(shè)計(jì)年限，就已出現(xiàn)老化破損現(xiàn)象，從而大大降低甚至完全喪失防滲功能。不同的服役環(huán)境，防水卷材防滲能力退化速率大不相同，據(jù)調(diào)查，聚乙烯丙綸卷材搭接區(qū)在腐蝕環(huán)境(尤其是強(qiáng)氧化腐蝕環(huán)境)下的抗?jié)B能力僅能維持1年左右[4]。老化后的防水卷材不僅喪失其主要的防滲能力，同時也會出現(xiàn)抗力、抗變形能力及局部韌性的退化，因此在較低水壓力下，老化作用既可加速防滲材料微裂紋形成與擴(kuò)展，又能加速其抗?jié)B能力喪失[5-7]。搭接部位由于形狀改變，易引起應(yīng)力集中；加之膠結(jié)材料自身抗腐蝕能力較差，致使其成為服役過程中整個防滲體系的薄弱區(qū)域[6-9]。針對該問題，文獻(xiàn)[10-12]采用各類探測技術(shù)對不同腐蝕環(huán)境與水力梯度下的搭接區(qū)與非搭接區(qū)的滲透速率進(jìn)行測試對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同等腐蝕環(huán)境與水力梯度下，非搭接區(qū)的抗?jié)B能力遠(yuǎn)大于搭接區(qū)。文獻(xiàn)[13]對廢液積液池滲漏點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)90%以上滲漏點(diǎn)出現(xiàn)在搭接部位，且隨服役期延長，搭接部位的漏點(diǎn)增多。由此可見，在腐蝕環(huán)境的長期侵蝕下，丙綸卷材搭接區(qū)更易老化，老化程度越嚴(yán)重，低應(yīng)力下該部位更易失效，抗?jié)B能力喪失的風(fēng)險也就越大。

在腐蝕介質(zhì)的長期作用下，聚乙烯丙綸防水層搭接區(qū)域會出現(xiàn)大量微觀損傷缺陷。持續(xù)發(fā)展的損傷缺陷能夠加速防水層的性能退化，使其首先成為抗力薄弱區(qū)，即使在低應(yīng)力下也極易出現(xiàn)局部受拉開裂，乃至滑脫，引發(fā)滲漏事故，因此，丙綸材料搭接區(qū)腐蝕老化后的抗拉性能將直接影響其抗?jié)B可靠性。目前，針對聚乙烯丙綸卷材搭接部位的腐蝕老化以及老化后的抗力性能研究鮮見報(bào)到，而關(guān)于既有老化損傷聚乙烯丙綸材料拉伸失效機(jī)理的研究尚不多見，且多為定性分析[4,6,7,11]。為厘清腐蝕老化與丙綸搭接區(qū)抗拉性能的關(guān)系，本文圍繞老化損傷劣化聚乙烯丙綸材料抗拉性能退化問題，開展不同腐蝕老化程度聚乙烯丙綸搭接試件的拉伸試驗(yàn)，研究腐蝕老化對聚乙烯丙綸卷材(搭接區(qū))抗拉性能的影響，以期為在役聚乙烯丙綸防滲結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 試驗(yàn)操作

1.1 腐蝕試驗(yàn)

本研究試驗(yàn)材料均選用聚乙烯丙綸防水復(fù)合卷材(厚度為0.6 mm)，單片與搭接試件為條狀，尺寸分別為50 mm×200 mm、50 mm×300 mm，如圖1(a)、(b)所示。搭接試件采用水泥膠膠結(jié)，水泥膠按體積比1∶10∶3(801膠∶水泥∶水)配置，搭接連接長度為100 mm，如圖1(c)所示，搭接區(qū)表面采用聚氨酯(0.1 mm)涂層保護(hù)。

圖1 聚乙烯丙綸防水復(fù)合卷材搭接試件

所有試件的腐蝕老化試驗(yàn)根據(jù)《高分子防水卷材 耐化學(xué)液體(包括水)》(GB/T328.16-2007)[14]和《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》(GB/T10125-2012)[15]執(zhí)行，采用室內(nèi)加速腐蝕箱進(jìn)行人工加速老化處理。腐蝕溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液與體積濃度為0.5mol/L的稀硝酸混合配置。腐蝕箱內(nèi)溫度設(shè)置為42±0.5 ℃，相對濕度為80%±10%，采用周期浸潤噴淋方式加速老化，噴淋時間與間歇時間均為6小時，以24小時為單位。老化齡期分別設(shè)置為6天、12天、18天、24天、30天以及36天，對應(yīng)實(shí)際服役時間分別為1 a、2 a、4 a、8 a、16 a、32 a。腐蝕試驗(yàn)所得到的典型老化搭接試件如圖2所示。圖2中“BL”為丙綸拼音首字母縮寫，首個數(shù)字為腐蝕齡期，其次為平行試件代號，如“BL-1-1”代表丙綸材料第一腐蝕齡期下的第一塊平行搭接試件。

圖2 腐蝕后水泥膠搭接層

1.2 拉伸試驗(yàn)

在對聚乙烯丙綸卷材試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)過程中，考慮到該材料延性顯著，因此，為了準(zhǔn)確測量其拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，所有試件拉伸過程均采用應(yīng)變加載控制。拉伸試驗(yàn)設(shè)備選用WDW-20型土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，如圖3所示，試驗(yàn)過程參考《建筑防水卷材試驗(yàn)方法 第9部分 高分子防水卷材 拉伸試驗(yàn)》(GB/T328.9-2007)[16]相關(guān)規(guī)定，加載速率為200±50 mm/min。

圖3 試片破損示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對未腐蝕與各腐蝕齡期聚乙烯丙綸試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，獲得其應(yīng)力(荷載)應(yīng)變(位移)數(shù)據(jù)，以及各種破壞形式的斷裂試件。

圖4為未腐蝕的單片和搭接試件的靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 未經(jīng)腐蝕老化處理單片與搭接試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖4(a)可見，單片試件具有較為完整且連續(xù)的結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)力應(yīng)變曲線飽滿，當(dāng)應(yīng)力大于其強(qiáng)度極限時，延性撕裂較為明顯。

圖4(b)為未腐蝕搭接試件靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由于搭接薄弱區(qū)改變了材料自身連續(xù)性，即使試件有效搭接長度內(nèi)存在黏結(jié)性能顯著的膠結(jié)劑，其延性仍將大幅度退化，極限強(qiáng)度處于低應(yīng)變區(qū)域，且試件能達(dá)到的有效變形大大下降。由此可見，搭接區(qū)域是導(dǎo)致聚乙烯丙綸防滲體系提前失效的薄弱點(diǎn)，是防滲設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵區(qū)域。

各腐蝕老化齡期搭接試件靜力拉伸荷載位移曲線與試件破壞狀態(tài)如圖5所示。

由圖5(a)可見，隨著腐蝕齡期和試件老化程度增加，試件極限強(qiáng)度逐漸降低(破強(qiáng)力下降最大幅度可達(dá)75%)，有效伸長率逐漸減小(下降最大幅度可達(dá)87%)，即試件的抗拉承載與抗變形能力隨著腐蝕作用逐漸下降。

圖5 卷材搭接試件拉力-位移曲線與斷裂形貌示意圖

由圖5(b)可見，各腐蝕老化齡期試件的斷裂位置均位于搭接區(qū)端口，且隨著老化齡期增長，搭接區(qū)伸長能力先增強(qiáng)后降低，而搭接面相對滑移程度逐漸顯著。其原因可解釋為：腐蝕初期，片材自身老化程度強(qiáng)于搭接部位，老化后片材強(qiáng)度退化，延性增強(qiáng)，與此同時搭接部位受老化作用影響不大，因此，外力作用下搭接部位幾何突變引起的應(yīng)力集中是引起試件斷裂失效的主要原因；隨著老化齡期增加，試件搭接部位侵蝕嚴(yán)重，層間黏結(jié)能力大幅度退化，雖然此時片材自身也已出現(xiàn)嚴(yán)重老化，但與搭接區(qū)層間黏結(jié)強(qiáng)度退化幅度相比，可忽略不計(jì)，此時由于試件搭接段黏結(jié)能力喪失，導(dǎo)致片材層間滑移開裂，直至破壞失效。

3 腐蝕試件搭接區(qū)有效伸長率計(jì)算模型

對于搭接材料而言，有效伸長率是準(zhǔn)確描述其黏結(jié)區(qū)變形抗力的重要指標(biāo)[17-18]。聚乙烯丙綸卷材試件經(jīng)腐蝕老化處理后，搭接部位黏結(jié)強(qiáng)度大幅度降低。在試件拉伸過程中，試驗(yàn)測量位移值包括兩部分：其一為材料本身發(fā)生的彈塑性變形(本研究涉及材料以彈性變形為主)；其二為搭接層剪切滑移。因此，本研究所有試件的有效伸長率可通過下式求得：

η=Δl/l=(l-l0-l′)/l

(1)

式中：η為各腐蝕齡期搭接試件的有效伸長率，%；l為試件伸長后的總長度，mm；l0為試件初始長度，mm；l′為滑移區(qū)域以外的伸長量，mm。

利用式(1)計(jì)算得到各腐蝕齡期搭接試件的有效伸長率，如表1所示。

表1 各腐蝕齡期搭接試件有效伸長率與抗力水平

表1中給出的同組試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性，其原因可從兩方面進(jìn)行解釋：一方面，同組試件的纖維絲空間分布和試件內(nèi)部應(yīng)力存在夾角，夾角越大，試件抗力和延伸能力越差；另一方面，搭接區(qū)域水泥膠結(jié)層厚度薄，統(tǒng)一的加工厚度很難保障，這也將引起試驗(yàn)結(jié)果的差異。對比不同齡期試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，同組試件的抗力和延伸能力基本上處于相同水平；隨著腐蝕齡期的增加，搭接試件的破強(qiáng)力和有效伸長率均呈遞減趨勢，試驗(yàn)結(jié)果的遞變規(guī)律較明顯。

拉伸試件的搭接面積均為0.005 m2，假設(shè)試件搭接過程中施工引起的誤差忽略不計(jì)，以未經(jīng)老化處理搭接試件破強(qiáng)力為標(biāo)定值，利用最小二乘法可擬合建立腐蝕老化作用下聚乙烯丙綸搭接區(qū)極限荷載退化模型：

FT=λF0(1-1/T)

(2)

式中：FT為經(jīng)腐蝕老化處理T天的搭接試件極限荷載，即試驗(yàn)測量的破強(qiáng)力，kN；F0標(biāo)定為未經(jīng)腐蝕老化處理的搭接試件極限荷載，kN；T為腐蝕老化齡期，天；λ為腐蝕環(huán)境影響因子，本研究只考慮強(qiáng)氧化劑腐蝕老化，取λ=1，其他腐蝕環(huán)境影響因子可根據(jù)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果測定。

實(shí)際工程中，防水卷材作為一種彈性材料，其防滲功能喪失是由初始微裂縫不斷擴(kuò)展引起的，而初始微裂縫萌生與擴(kuò)展主要集中在其彈性變形階段，基于文獻(xiàn)[19]，通過對防水卷材的靜力響應(yīng)參量進(jìn)行類比分析，建立持續(xù)拉伸作用下防水卷材伸長率(η′)與斷裂強(qiáng)度(σ)的關(guān)系式：

η′=β(σ/E)=β(FT/E)

(3)

式中：E為卷材搭接部位變形模量，MPa，即靜力拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性階段的斜率；β為搭接工藝影響系數(shù)，受搭接膠結(jié)劑、搭結(jié)長度以及施工工藝的影響，可通過試驗(yàn)方法測定。本研究通過試驗(yàn)方法測定各腐蝕齡期搭接試件的β值，如表2所示。

表2 各腐蝕齡期聚乙烯丙綸卷材搭接試件β值

由表2可知，老化齡期越長，試件搭接工藝影響系數(shù)β值越小，且減小幅度逐漸降低。這可能是搭接區(qū)黏結(jié)層受腐蝕作用影響，黏結(jié)能力逐漸喪失所致。但隨著腐蝕作用加強(qiáng)，黏結(jié)層發(fā)生氧化作用，形成鈍化層，阻止腐蝕介質(zhì)入侵，降低了侵蝕速率，因此，隨著腐蝕作用的持續(xù)，鈍化層搭接區(qū)的黏結(jié)機(jī)能退化速率逐漸減緩。

綜上所述，作為聚乙烯丙綸防水層薄弱部位的搭接區(qū)域，其有效變形能力是決定其抗力性能的重要因素，聯(lián)立式(1)、式(2)與式(3)，得到考慮搭接尺寸、工藝以及環(huán)境氧化侵蝕綜合作用的聚乙烯丙綸防水卷材搭接區(qū)有效伸長率計(jì)算模型：

η″=β(λF0(1-1/T)/E)-l′/l

(4)

其中，l′可通過測量非搭接段伸長量來確定。

將不同腐蝕老化齡期丙綸搭接試件靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果代入式(1)和式(4)，其與實(shí)測值對比結(jié)果如表3所示。

表3 各腐蝕齡期試件搭接區(qū)有效伸長率理論值與試驗(yàn)值對比結(jié)果

由表3對比結(jié)果可見，由于本文所提出的有效伸長率計(jì)算模型是依據(jù)各齡期材料及黏結(jié)層老化定量設(shè)定修正參數(shù)，故能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法對齡期累積辨識度差的短板。另外，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差與材料自身纖維絲空間分布、水泥膠黏結(jié)層厚度等因素相關(guān)，而本研究考慮了聚乙烯防水卷材搭接尺寸、施工工藝以及環(huán)境氧化腐蝕等因素，所以大大降低了不同腐蝕程度卷材搭接區(qū)的有效變形結(jié)果預(yù)測誤差。

由此可見，本文所建立的丙綸防水卷材搭接區(qū)有效伸長率計(jì)算模型可精確計(jì)算不同荷載、不同服役環(huán)境下聚乙烯丙綸防水卷材搭接層的有效伸長量，再結(jié)合對應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，可精確預(yù)測其可靠程度，為服役階段丙綸防水材料的合理有效使用提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié) 論

1) 對于聚乙烯丙綸搭接試件，由于搭接薄弱區(qū)改變了材料自身連續(xù)性，受拉過程易引起應(yīng)力集中，從而造成過早破壞，且斷裂位置集中于搭接端口部位。

2) 腐蝕初期，試件母材老化速率突出，試件破壞多由搭接部位應(yīng)力集中造成；腐蝕中后期，搭接區(qū)黏結(jié)層老化嚴(yán)重，試件破壞多為剪切力作用下黏結(jié)層滑脫所致。

3) 腐蝕老化后，聚乙烯丙綸搭接試件破強(qiáng)力隨老化齡期增加而降低，且降低幅度逐漸減?。焕匣蟠罱釉嚰棺冃文芰κ艽罱映叽?、工藝以及環(huán)境氧化侵蝕的綜合影響，老化侵蝕時間越長，試件有效抗變形能力越差，使用功能有效性越低。

4) 搭接試件黏結(jié)層在腐蝕氧化過程中逐漸形成的鈍化層可有效阻止腐蝕介質(zhì)的持續(xù)侵入，從而降低腐蝕作用的進(jìn)一步侵蝕，減緩搭接區(qū)黏結(jié)機(jī)能的退化速率。

考慮搭接尺寸、工藝以及環(huán)境氧化侵蝕等因素，構(gòu)建了聚乙烯丙綸防水卷材搭接區(qū)有效伸長率計(jì)算模型。通過理論與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了該計(jì)算模型能夠精確預(yù)測腐蝕作用下聚乙烯丙綸防水卷材搭接區(qū)的有效伸長率，可為在役聚乙烯丙綸防滲結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。