消防給水管道粘接技術(shù)研究

魏隨旺

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

消防給水管道作為消防作業(yè)中的重要組成部分，在現(xiàn)代生活中應(yīng)用較為廣泛，無(wú)論是穿過(guò)地下室外墻、構(gòu)筑物墻壁，還是屋面等具有防水要求的位置都需要設(shè)計(jì)給水流速不應(yīng)大于7 m/s的消防給水管道，且由于消防給水管道需要穿過(guò)不同的建筑物，往往在安裝過(guò)程中需要進(jìn)行膠接處理。消防給水管道的膠接主要是指采用膠粘劑通過(guò)一系列物理/化學(xué)反應(yīng)將消防給水管道的基底材料粘接在一起，實(shí)現(xiàn)不同部位的膠接[1-3]。該工藝相較于傳統(tǒng)的鉚接、焊接等具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)基底材料影響較小等優(yōu)點(diǎn)[4]，在現(xiàn)代消防給水管道的連接技術(shù)中具有良好的應(yīng)用前景。比如消防給水管道中的鋼絲網(wǎng)骨架復(fù)合塑料管，當(dāng)其采用粘接技術(shù)后，在接口強(qiáng)度、耐高溫、抗老化和防滲漏等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)輕危險(xiǎn)級(jí)、中危險(xiǎn)級(jí)工程中，安裝方便且可以減少結(jié)構(gòu)荷載要求等。然而，消防給水管道的使用環(huán)境較為復(fù)雜，需要長(zhǎng)期經(jīng)歷高溫、腐蝕介質(zhì)和老化環(huán)境[5]，這就給消防給水管道用膠粘劑提出了更高的要求。雖然傳統(tǒng)膠粘劑在單一環(huán)境因素下，如溫度、載荷等作用下的應(yīng)用性能的研究已有報(bào)道，但是在多因素耦合作用下(溫度+荷載+老化時(shí)間等)的使用性能的研究報(bào)道較少[6-8]，具體作用機(jī)理也不清楚。為了模擬現(xiàn)實(shí)生活中消防給水管道膠粘劑的使用環(huán)境，本文考察了溫度、荷載和老化時(shí)間多因素耦合作用下消防給水管道膠粘劑的蠕變和拉伸性能，結(jié)果有助于提升消防給水管道粘接技術(shù)提升和改進(jìn)，消除膠粘劑應(yīng)用過(guò)程中的誤區(qū)，避免消防給水管道由于膠粘劑問(wèn)題而出現(xiàn)失效。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料為消防給水復(fù)合管道粘接用3MTMScotch-Weld 2216環(huán)氧膠粘劑，其特性：呈紫色，無(wú)氣味，粘性流體，抗拉強(qiáng)度38 MPa、斷后伸長(zhǎng)率18%，固化方式為熱固性，黏度為36 Pa·s。

1.2 試樣制備

根據(jù)EN ISO 527—2—2012《塑料-拉伸性能的測(cè)定——第2部分:成型和擠出塑料的試驗(yàn)條件》將膠粘劑制備成圖1所示尺寸。具體過(guò)程中包括[9]：將雙組分3MTMScotch-Weld 2216環(huán)氧膠粘劑混合均勻并消除內(nèi)部氣泡，將混合均勻的膠粘劑注入啞鈴型塑料模具中；然后將模具轉(zhuǎn)入平板硫化機(jī)中進(jìn)行98 ℃、60 min的固化處理，設(shè)定壓力為2.5 MPa，固化后空冷至室溫。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑試件尺寸示意圖Fig.1 Size diagram of epoxy resin adhesive test piece

1.3 測(cè)試方法

為了弄清楚消防給水管道粘接過(guò)程中的注意事項(xiàng)及其影響規(guī)律，共設(shè)計(jì)了5組試樣，具體如表1所示。

表1 膠粘劑試樣的試驗(yàn)方案Tab.1 Test scheme of adhesive sample

由表1可知，第1組為室溫對(duì)照組試樣；第2組為50 ℃+未加載試樣；第3組為50 ℃+加載試樣；第4組為80 ℃+未加載試樣；第5組為80 ℃+加載試樣，該組試樣在蠕變6 h時(shí)就發(fā)生了蠕變破壞，發(fā)生完全失效，這主要與其溫度遠(yuǎn)高于試件的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(67 ℃)有關(guān)[10]。加載時(shí)只施加靜態(tài)拉伸試樣25%抗拉強(qiáng)度的載荷，老化時(shí)間分別為5、10和15 d，老化溫度設(shè)定為室溫、50 ℃和80 ℃。在MTS-810型液壓伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變和靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)[11-12]，測(cè)試溫度為室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線

圖2為消防給水管道膠粘劑的蠕變-時(shí)間曲線，分別列出了50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系及擬合曲線。

圖2 消防給水管道膠粘劑的蠕變-時(shí)間曲線Fig.2 Creep time curve of fire water supply pipeline adhesive

從圖2可以看出，50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系的變化趨勢(shì)基本相同，二者的蠕變曲線基本都分為3個(gè)階段：第1個(gè)階段，試樣的蠕變應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)快速增加，但是應(yīng)變速率呈現(xiàn)逐漸減小特征；第2個(gè)階段成為穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這個(gè)階段的特征是蠕變應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而均勻增加；第3個(gè)階段的蠕變應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間快速增加，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)加速蠕變階段[13-14]。對(duì)比分析可知，在相同蠕變時(shí)間下，加載試件的蠕變應(yīng)變要比相同溫度下未加載時(shí)間的蠕變應(yīng)變要更大；當(dāng)老化時(shí)間為120 d時(shí)，2種時(shí)間的蠕變應(yīng)變分別為1.89%和5.49%，繼續(xù)延長(zhǎng)蠕變時(shí)間，2種試樣的蠕變應(yīng)變都會(huì)繼續(xù)增大，但是加載試件的蠕變應(yīng)變要始終大于未加載試件。從50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系可知，無(wú)論是加載狀態(tài)還是未加載狀態(tài)，膠粘劑試件都會(huì)發(fā)生蠕變，只是蠕變程度和速率不同。

采用Origin軟件對(duì)50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，可分別得到50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變擬合曲線：

ε=0.135×t-0.79

(1)

ε=0.005×4.6662.82×t-0.82

(2)

式中:ε為蠕變應(yīng)變;t為蠕變時(shí)間[15]。

2.2 載荷對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

圖3為不同載荷下消防給水管道膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別列出了載荷為5、10和15 N時(shí)膠粘劑試樣的位移-載荷曲線。

圖3 不同載荷下消防給水管道膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different loads

從圖3(a)可以看出，當(dāng)老化時(shí)間為5 d時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要明顯小于50 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更大；從圖3(b)可以看出，當(dāng)老化時(shí)間為10 d時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載更大；從圖3(c)可以看出，當(dāng)老化時(shí)間為15 d時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要略大于50 ℃+未加載試樣，而前者的極限荷載略小。由此可見(jiàn)，對(duì)于加載試樣和未加載試樣，其位移和極限荷載會(huì)隨著老化時(shí)間發(fā)生改變，在老化時(shí)間為10 d及以下時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于50 ℃+未加載試樣；老化時(shí)間為10 d以上時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要大于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣。

2.3 溫度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

圖4為不同溫度下消防給水管道膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別列出了老化時(shí)間為5、10和15 d時(shí)膠粘劑試樣的位移-載荷曲線。

圖4 不同溫度下消防給水管道膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different temperatures

從圖4(a)可以看出，當(dāng)加載載荷為5 N時(shí)，50 ℃+未加載試樣的位移要明顯大于80 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更??；從圖4(b)可以看出，當(dāng)加載載荷為10 N時(shí)，50 ℃+未加載試樣的位移要小于80 ℃+未加載試樣，且是前者的極限荷載也更小；從圖4(c)可以看出，當(dāng)加載載荷為15 N時(shí)，50 ℃+未加載試樣的位移要明顯小于80 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更大。由此可見(jiàn)，對(duì)于加載試樣和未加載試樣，其位移和極限荷載會(huì)隨著溫度發(fā)生改變，在老化時(shí)間為5 d時(shí)，50 ℃+未加載試樣的位移要大于80 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于80 ℃+未加載試樣；老化時(shí)間為10 d以上時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移和極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣；老化時(shí)間為15 d以上時(shí)，50 ℃+未加載試樣的位移要小于80 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于80 ℃+未加載試樣。

2.4 老化時(shí)間對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響

2.4.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為不同老化時(shí)間下消防給水管道膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別列出了50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的位移-載荷曲線。

(a)50 ℃+未加載

(b)50 ℃+加載

(c)80 ℃+未加載圖5 不同老化時(shí)間下消防給水管道膠粘劑的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different aging times

從圖5(a)可以看出，對(duì)于50 ℃+未加載試樣，老化時(shí)間越長(zhǎng)位移越小、極限荷載越大；從圖5(b)可以看出，對(duì)于50 ℃+加載試樣，極限位移從大至小順序依次為：老化時(shí)間5 d、老化時(shí)間10 d、老化時(shí)間15 d；極限荷載從大至小順序依次為：老化時(shí)間10 d、老化時(shí)間5 d、老化時(shí)間15 d；從圖5(c)可以看出，對(duì)于80 ℃+未加載試樣，極限位移從大至小順序依次為：老化時(shí)間5 d、老化時(shí)間10 d、老化時(shí)間15 d，極限荷載從大至小順序依次為：老化時(shí)間10 d、老化時(shí)間15 d、老化時(shí)間5 d。由此可見(jiàn)，對(duì)于50 ℃+加載試樣和80 ℃+未加載試樣，老化時(shí)間為10 d時(shí)試樣具有最大的極限荷載，老化時(shí)間為5 d時(shí)具有最大的極限位移，老化時(shí)間為15 d時(shí)極限荷載和極限位移都較??；這主要與此時(shí)膠粘劑試樣都發(fā)生了過(guò)老化有關(guān)[16-19]。

2.4.2蠕變應(yīng)變和拉伸失效強(qiáng)度

表2為消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應(yīng)變和拉伸失效強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應(yīng)變 和拉伸失效強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of creep strain and tensile failure strength of fire water supply pipeline adhesive samples

由表2可知，對(duì)照組試樣的蠕變應(yīng)變?yōu)?%、拉伸失效強(qiáng)度為19.06 MPa。當(dāng)老化時(shí)間為5 d時(shí)，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變分別為1.89%、5.48%和0%，拉伸失效強(qiáng)度分別為24.68、19.68和25.20 MPa；當(dāng)老化時(shí)間為10 d時(shí)，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變分別為2.09%、6.31%和0%，拉伸失效強(qiáng)度分別為27.43、31.06和28.18 MPa；當(dāng)老化時(shí)間為15 d時(shí)，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變分別為2.25%、6.71%和0%，拉伸失效強(qiáng)度分別為29.55、28.50和25.97 MPa。由此可見(jiàn)，與對(duì)照組試樣相比，經(jīng)過(guò)5 d老化處理后，消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強(qiáng)度有不同程度升高；繼續(xù)進(jìn)行10 d老化處理后，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高；當(dāng)老化時(shí)間為15 d時(shí)，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強(qiáng)度會(huì)有所減小，這也就說(shuō)明老化時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)降低消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強(qiáng)度。此外，對(duì)于50 ℃+未加載和50 ℃+加載試樣，隨著老化時(shí)間從5 d延長(zhǎng)至15 d時(shí)，消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應(yīng)變會(huì)不斷增大，且在相同溫度和老化時(shí)間下，50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變要小于50 ℃+加載試樣。這也就說(shuō)明加載會(huì)在一定程度增加消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應(yīng)變[20]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)無(wú)論是加載狀態(tài)還是未加載狀態(tài)，消防給水管道粘接用50 ℃+加載、50 ℃+未加載膠粘劑試件都會(huì)發(fā)生蠕變，只是蠕變程度和速率不同。采用Origin軟件對(duì)50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，可分別得到50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變擬合曲線；

(2)在老化時(shí)間為10 d及以下時(shí)，消防給水管道粘接用50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于50 ℃+未加載試樣；而老化時(shí)間為10 d以上時(shí)，50 ℃+加載試樣的位移要大于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣。對(duì)于50 ℃+加載試樣和80 ℃+未加載試樣，老化時(shí)間為10 d時(shí)，試樣具有最大的極限荷載；老化時(shí)間為5 d時(shí)具有最大的極限位移；而老化時(shí)間為15 d時(shí)，極限荷載和極限位移都較?。?/p>

(3)與對(duì)照組試樣相比，經(jīng)過(guò)5 d老化處理后，消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強(qiáng)度有不同程度升高，繼續(xù)進(jìn)行10 d老化處理后，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高；但是當(dāng)老化時(shí)間為15 d時(shí)，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強(qiáng)度會(huì)有所減小。