內(nèi)置保溫墻體內(nèi)聚丙烯連接件耐堿性能研究*

趙 軍, 楊守迪, 王自柯, 王帥斌

(1 鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001；2 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

為滿足建筑節(jié)能保溫的要求,我國民用住宅往往采用外墻外保溫的做法。外墻外保溫的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣并且消除了熱橋的影響,但外掛保溫板在服役過程中易受溫差、太陽輻射、微生物侵蝕等影響,會(huì)出現(xiàn)開裂、空鼓、剝落的情況,從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和建筑外墻的美觀,甚至威脅人們的生命安全[1]。傳統(tǒng)外墻外保溫的構(gòu)造一般設(shè)計(jì)年限為25 年左右,但是,在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中,通常使用5～10年后就要對(duì)外墻外保溫層進(jìn)行更換[2],而住宅建筑的設(shè)計(jì)使用年限一般為50年[3]。這意味著在主體結(jié)構(gòu)服役過程中需要投入大量的費(fèi)用用于建筑外墻外保溫層的定期維修及更換。

不同于外墻外保溫,內(nèi)置保溫復(fù)合墻體是外墻內(nèi)保溫的主要形式[4]。如圖1所示,首先布置聚苯板,然后通過斜插筋、混凝土墊塊和聚丙烯連接件,將鋼絲焊接網(wǎng)和聚苯板固定組成空間骨架,最后在聚苯板兩側(cè)同時(shí)澆筑混凝土,形成內(nèi)置保溫復(fù)合墻體,即保溫層內(nèi)嵌在結(jié)構(gòu)層中,受到兩側(cè)結(jié)構(gòu)層的保護(hù),只要建筑結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變,則在使用過程中無需更換保溫層,從而具有高效節(jié)能、抗震性能好[5]、施工速度快、綜合造價(jià)低[6]、節(jié)約能源[7]等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 內(nèi)置保溫復(fù)合墻體

在內(nèi)置保溫體系中,主要通過斜插筋、混凝土墊塊和聚丙烯連接件來固定聚苯板、鋼筋焊接網(wǎng)與模板,并控制保溫板的側(cè)向位移。聚丙烯連接件質(zhì)量輕,可根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形狀尺寸,可在材料進(jìn)場(chǎng)后直接安裝。但是聚丙烯連接件在服役過程中長(zhǎng)期接觸混凝土,同時(shí)混凝土的孔溶液屬于強(qiáng)堿環(huán)境,可能腐蝕聚丙烯連接件導(dǎo)致其物理力學(xué)性能下降。因此,需要對(duì)聚丙烯連接件的長(zhǎng)期耐堿性能進(jìn)行研究。

目前在工程上應(yīng)用較多的塑料產(chǎn)品主要有聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等[8]。其中,聚乙烯抗腐蝕能力強(qiáng)、不與酸堿反應(yīng),但易被光、熱、臭氧分解。聚苯乙烯絕緣、無色有光澤,但耐熱性差、機(jī)械性能差。聚氯乙烯絕緣、耐酸堿,但熱穩(wěn)定性差、受熱易降解。而聚丙烯有較好的耐熱和耐酸堿特性,為此,本文主要研究聚丙烯連接件的長(zhǎng)期耐堿性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣

本文研究的聚丙烯連接件如圖2所示,主要成分是聚丙烯(PP),單個(gè)試樣的質(zhì)量為(15.4773±0.3385)g。

圖2 聚丙烯連接件

1.2 加速老化試驗(yàn)

將聚丙烯連接件放入模擬混凝土孔溶液中進(jìn)行加速老化,浸泡一定時(shí)間后,從表觀形貌、吸水性能、力學(xué)性能和熱性能等方面表征聚丙烯連接件的耐久性能。

為評(píng)估聚丙烯連接件在混凝土環(huán)境(堿環(huán)境)下的耐久性能,參考纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋在混凝土環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)[9],配制堿溶液模擬混凝土孔溶液,對(duì)聚丙烯連接件進(jìn)行老化試驗(yàn),堿溶液具體配方見表1,老化試驗(yàn)期間堿溶液的pH值范圍為12.6～13。

表1 堿溶液配比

加速老化試驗(yàn)方案:設(shè)置常溫(20℃)、40℃和60℃三種溫度,浸泡周期分別為1、2、3、6個(gè)月,具體試樣數(shù)量見表2。加速老化時(shí),將試樣放置在盛有堿溶液的燒杯中,然后將燒杯放置在常溫或者高溫水浴中保持恒溫,具體的老化裝置如圖3所示。浸泡周期結(jié)束后,對(duì)試樣老化前后形貌進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比。為方便書寫,本文將在20℃堿溶液中老化1個(gè)月的試樣記作“20℃-1M”,其他溫度和浸泡周期下老化試樣的編號(hào)依次類推。

表2 試樣數(shù)量/個(gè)

圖3 老化裝置

1.3 水吸收性能測(cè)試

每種老化試驗(yàn)條件下選取2個(gè)試樣進(jìn)行水吸收性能測(cè)試。老化試驗(yàn)前,用精度為0.0001g的電子天平稱量每個(gè)試樣的質(zhì)量,浸泡周期結(jié)束后,取出試樣,擦干表面水分,再次稱量其質(zhì)量,并計(jì)算每個(gè)試樣的質(zhì)量變化及質(zhì)量保留率。

1.4 抗壓性能測(cè)試

試樣達(dá)到特定老化周期后,取出試樣并擦干表面水分,然后用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其抗壓性能進(jìn)行測(cè)試,采用位移控制加載,加載速率為0.5mm/min,加載裝置及示意圖見圖4。試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣所能承受的最大荷載并記錄加載過程中荷載-位移曲線。

圖4 加載裝置及示意圖

1.5 熱性能表征

選取對(duì)照組(未老化)試樣以及20、40℃和60℃下分別老化6個(gè)月的試樣進(jìn)行熱性能表征。熱性能表征分為差示掃描量熱(DSC)測(cè)試和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)測(cè)試。

1.5.1 DSC測(cè)試

DSC測(cè)試設(shè)備為美國TA公司Q2000差示掃描量熱儀。測(cè)試方法參考《塑料差示掃描量熱法(DSC)第3部分:熔融和結(jié)晶溫度及熱焓的測(cè)定》(GB/T 19466.3—2004)[10]。測(cè)試試樣取1～2mg,試樣稱量精確至0.01mg,氣氛為氮?dú)?分析級(jí))50mL/min。溫度程序控制如下:1)試樣從室溫冷卻至-90℃左右開始DSC測(cè)試,以10℃/min的升溫速率升溫至250℃,保持溫度5min;2)以10℃/min的降溫速率降溫至-90℃,保持溫度5min;3)以10℃/min的升溫速率升溫至250℃,保持溫度5min。

1.5.2 DMA測(cè)試

測(cè)試設(shè)備為美國耐馳公司DMA242E動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀。測(cè)試方法:制作規(guī)格為16.0mm(長(zhǎng))×6.0mm(寬)×2.8mm(厚)的試樣條,選用單懸臂模式,采用液氮進(jìn)行降溫,測(cè)試溫度區(qū)間為-100～170℃,升溫速率取3℃/min,振幅為100μm,測(cè)試頻率為1Hz,動(dòng)態(tài)力為12N。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 表觀形貌

試樣老化前后的表觀形貌如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn),20℃堿溶液浸泡下試樣表面氫氧化鈣等白色沉淀物較少,而40℃和60℃堿溶液浸泡下前2個(gè)月試樣表面白色沉淀物較少,在浸泡3個(gè)月和6個(gè)月后表面白色沉淀物有所增加。但從整體上看,經(jīng)20、40℃和60℃堿溶液分別浸泡6個(gè)月后的聚丙烯連接件試樣形狀與顏色均無明顯變化。

圖5 未老化和老化后聚丙烯連接件試樣表觀形貌對(duì)比

2.2 水吸收性能

20、40、60℃堿溶液條件下聚丙烯連接件試樣的水吸收性能測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可以看出,堿溶液的浸泡使試樣的質(zhì)量發(fā)生不同程度的增加。

表3 聚丙烯連接件試樣水吸收性能結(jié)果

各組試樣質(zhì)量增量以及質(zhì)量保留率隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn),隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng),試樣在20、40、60℃堿溶液中的質(zhì)量增加量均提高,且在老化第1個(gè)月增長(zhǎng)最快,20、40℃和60℃堿溶液中老化1個(gè)月后的試樣質(zhì)量增長(zhǎng)率分別為0.14%、0.30%和0.47%;老化第2個(gè)月的質(zhì)量增加量增速變緩,之后增長(zhǎng)速度又加快;老化3個(gè)月后,20、40℃和60℃堿溶液條件下試件質(zhì)量增長(zhǎng)率分別為0.23%、0.39%和0.85%;老化6個(gè)月后,20、40℃和60℃堿溶液下的試樣質(zhì)量增長(zhǎng)率分別為0.40%、1.06%和1.95%,但此時(shí),三種溫度下的試樣均尚未達(dá)到飽和吸水狀態(tài)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),相同的老化周期下,浸泡溫度越高,試樣的質(zhì)量增長(zhǎng)率越高。相比于未老化試件,老化1個(gè)月后,20℃堿溶液下的試樣質(zhì)量增長(zhǎng)率為0.14%,而40℃和60℃堿溶液下的試樣質(zhì)量增長(zhǎng)率分別為0.3%和0.47%,可見,40℃和60℃堿溶液下試樣的質(zhì)量增長(zhǎng)率比20℃堿溶液下分別提高了0.16%和0.33%;老化6個(gè)月后,40℃和60℃堿溶液下的試樣質(zhì)量增長(zhǎng)率也比20℃堿溶液下分別提高了0.66%和1.78%,這說明由于高溫加速了水分子向試樣內(nèi)部的擴(kuò)散速率[11],浸泡溫度較高時(shí)顯著提高了試樣的吸水速率。

圖6 質(zhì)量增量和質(zhì)量保留率隨老化時(shí)間的變化曲線

2.3 抗壓性能

不同溫度堿溶液中聚丙烯連接件的極限荷載和對(duì)應(yīng)的極限荷載保留率測(cè)試結(jié)果匯總于表4。由表4可以看出,相比于未老化試件,大部分老化試樣的極限荷載出現(xiàn)了一定程度的提高。

表4 聚丙烯連接件試樣極限荷載和極限荷載保留率結(jié)果

不同老化條件下所選取的典型試樣的荷載-位移曲線的對(duì)比如圖7所示。由圖7可見,所有試樣的荷載-位移曲線均先上升,到達(dá)峰值后再逐漸降低,并在試樣發(fā)生屈服時(shí)破壞。三種老化溫度下試樣極限荷載和極限荷載保留率隨老化時(shí)間的變化曲線如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn),與未老化試件相比,老化3個(gè)月后,除60℃堿溶液下試樣的極限荷載提高較大外,其他試樣的極限荷載保留率在98%～106%之間,基本保持不變。20℃和40℃堿溶液下老化6個(gè)月后,試樣的極限荷載有明顯提高,其極限荷載保留率分別達(dá)到137.98%和147.10%。60℃堿溶液下老化1個(gè)月后,試樣的極限荷載保留率為98.88%,老化2個(gè)月后的極限荷載保留率為101.50%,老化3個(gè)月后的試件極限荷載保留率提高顯著,達(dá)到126.81%,老化6個(gè)月后,極限荷載保留率進(jìn)一步提高到151.68%。

圖8 極限荷載和極限荷載保留率隨老化時(shí)間變化曲線

以上結(jié)果表明,在堿溶液中浸泡不超過3個(gè)月時(shí),聚丙烯連接件試樣的極限承載力基本不變,但浸泡達(dá)到6個(gè)月時(shí)試樣的極限承載力明顯提高,且老化溫度越高,極限承載力提高越顯著。

另外,鑒于聚丙烯連接件試樣在抗壓測(cè)試時(shí)均呈現(xiàn)屈服失穩(wěn)的破壞模式,本文進(jìn)一步以試樣受壓時(shí)的剛度值作為其力學(xué)性能的評(píng)價(jià)參數(shù)?；谠嚇拥暮奢d-位移曲線,取25%極限荷載和50%極限荷載差值與對(duì)應(yīng)的位移差值的比值作為試樣的剛度值,得到的測(cè)試結(jié)果見表5。由表5可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過堿溶液的浸泡,試樣的剛度均發(fā)生一定程度的變化。

表5 抗壓剛度測(cè)試結(jié)果

不同老化溫度下試樣的剛度和對(duì)應(yīng)的剛度保留率隨老化時(shí)間的變化曲線如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn),試樣的剛度隨老化時(shí)間的變化趨勢(shì)與極限荷載相比離散性較大,但變化趨勢(shì)基本一致,老化3個(gè)月試樣中,除60℃堿溶液,其他濃度堿溶液試樣的剛度保留率在87%～109%之間,剛度基本保持不變。與未老化試件相比,20℃和40℃堿溶液下老化6個(gè)月試樣的剛度明顯提高,其剛度保留率分別達(dá)到145.18%和137.83%。60℃堿溶液下試樣的剛度保留率在老化1個(gè)月后為87.71%,老化2個(gè)月后為95.59%,老化3個(gè)月后的剛度保留率明顯提高,提高到127.83%,老化6個(gè)月后的剛度保留率高達(dá)150.36%。

圖9 剛度和剛度保留率隨老化時(shí)間變化曲線

以上抗壓性能測(cè)試結(jié)果顯示,經(jīng)過20、40℃和60℃堿溶液老化6個(gè)月后,聚丙烯連接件試樣的抗壓強(qiáng)度和剛度均未降低,甚至有不同程度的提高,這表明聚丙烯連接件具有良好的耐堿性能。這可能是由于聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)中無與OH-結(jié)合的活性基團(tuán),且表面能較低,因此聚丙烯具有優(yōu)異的耐堿性能[12]。

2.4 DSC測(cè)試結(jié)果

采用DSC法,通過測(cè)量試樣和參比物的功率差(熱流率)與溫度的關(guān)系,獲得聚合物的熔融溫度Tm、結(jié)晶溫度Tc和結(jié)晶度。

Tm和Tc是研究聚丙烯熱性能的重要參數(shù)[13],DSC曲線上的吸熱峰達(dá)到最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度即Tm,DSC曲線上的放熱峰達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的溫度即Tc。未老化和20、40、60℃堿溶液下老化6個(gè)月的聚丙烯連接件試樣的DSC曲線測(cè)試結(jié)果如圖10所示。升溫曲線峰值區(qū)域與時(shí)間圍成的面積為熔融焓ΔHm,降溫曲線峰值區(qū)域與時(shí)間圍成的面積為結(jié)晶焓ΔHc[10]。通常,將測(cè)得的熔融焓與100%結(jié)晶的聚丙烯熔融焓的比值作為測(cè)試試樣的結(jié)晶度[14]。從圖10可以看出,堿溶液的浸泡對(duì)材料的熱性能影響較小,老化后試樣的DSC曲線未發(fā)生明顯變化。

圖10 DSC曲線

未老化和老化6個(gè)月后試樣的兩次DSC升溫曲線的相關(guān)參數(shù)結(jié)果見表6。其中,第一次升溫是為了消除試樣的熱歷史,可以看到,未老化和老化后試樣的第一次升溫的Tm基本保持在163～167℃,第二次升溫的Tm基本保持在161～165℃。第一次升溫的結(jié)晶度在30%左右,第二次升溫的結(jié)晶度在33%左右。由于聚合物的結(jié)晶性能是決定其加工應(yīng)用的關(guān)鍵因素,高的結(jié)晶度會(huì)使制品拉伸強(qiáng)度升高、斷裂伸長(zhǎng)率減小、密度增大、透明度降低、耐熱性能、耐溶劑性能提高[15]。兩次DSC升溫曲線的熔融溫度和結(jié)晶度差別不大,這說明聚丙烯連接件試樣在經(jīng)過堿溶液加速老化6個(gè)月后的熱性能基本沒有變化。未老化和老化6個(gè)月后試樣的DSC降溫曲線的相關(guān)參數(shù)結(jié)果見表7。由表7可得,未老化和老化6個(gè)月后試樣的結(jié)晶溫度基本保持在123～126℃左右,ΔHc在73～87J·g-1范圍內(nèi),各試樣間的ΔHc差別較小。

表6 各試樣DSC升溫曲線的相關(guān)性能參數(shù)

表7 各試樣DSC降溫曲線的相關(guān)性能參數(shù)

綜上可知,聚丙烯連接件試樣經(jīng)過20、40、60℃堿溶液加速老化6個(gè)月后的DSC曲線與老化前試樣的DSC差異較小,其熱性能無明顯退化。同時(shí),在DSC曲線中未發(fā)現(xiàn)明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。

2.5 DMA測(cè)試結(jié)果

采用DMA法測(cè)試材料在振動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)模量及力學(xué)損耗與溫度關(guān)系[16],未老化和老化后試樣的DMA曲線見圖11。各DMA曲線的特征點(diǎn)結(jié)果見表8～10,其中E′為儲(chǔ)能模量,反映材料的剛性;E″為損耗模量,表征材料的粘性;tanδ為儲(chǔ)能模量與損耗模量的比值,為材料的損耗因子,表征材料的阻尼。參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1640—2013[17],本文分別以E″和tanδ曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的溫度來評(píng)價(jià)試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。因?yàn)椴ＡЩD(zhuǎn)變強(qiáng)度依賴于測(cè)試作用力的頻率和升溫速率,因此,相對(duì)于DSC測(cè)試,DMA 測(cè)試更能顯示明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[18]。從圖11可看出,各試樣儲(chǔ)能模量水平以及隨溫度的變化趨勢(shì)基本一致,且60℃堿溶液下試樣儲(chǔ)能模量甚至處于最高水平,這說明老化后試樣的剛度無明顯退化。同時(shí),在160℃附近儲(chǔ)能模量E′急劇下降同時(shí)損耗因子tanδ出現(xiàn)峰值,通過與表8對(duì)照可知,此時(shí)試樣達(dá)到熔融溫度,儲(chǔ)能模量(剛度模量)急劇下降,試樣熔融變?yōu)榉蔷B(tài)。需要指出,此時(shí)tanδ曲線在160℃附近的峰值不是試樣的Tg值。

表8 儲(chǔ)能模量E′曲線的特征參數(shù)

表9 損耗模量E″曲線的特征參數(shù)

表10 損耗因子tanδ曲線的特征參數(shù)

圖11 DMA曲線

從圖11可看出,未老化試樣、20℃和40℃堿溶液下老化6個(gè)月試樣的tanδ曲線在-40℃和10℃附近均出現(xiàn)峰值和明顯的起伏平臺(tái),同時(shí)E″曲線在對(duì)應(yīng)溫度處也均存在明顯的兩個(gè)峰值。一般來講,兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)兩種物質(zhì),這說明連接件不是由純聚丙烯構(gòu)成,試樣內(nèi)除了含有聚丙烯外,還可能共存有其他成分,相似的DMA結(jié)果參見文獻(xiàn)[19-20]。需要注意的是,60℃堿溶液下老化6個(gè)月試樣的tanδ曲線和E″曲線在-40℃左右的峰消失了,但10℃附近的峰值和起伏平臺(tái)仍在存在。這與試樣在長(zhǎng)期老化后,-40℃附近峰值對(duì)應(yīng)成分發(fā)生了轉(zhuǎn)變有關(guān)系?？傮w來講,在堿溶液中老化6個(gè)月后試樣的DMA曲線與未老化試樣相比變化較小,與DSC測(cè)試結(jié)果基本一致,這說明加速老化后試樣的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能變化不大。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過堿溶液浸泡后,聚丙烯連接件表面出現(xiàn)白色沉淀且隨時(shí)間延長(zhǎng)而增多,但試樣的形狀和顏色保持不變;試樣的吸水量隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,提高溫度會(huì)提高試樣吸水速率。

(2)經(jīng)過堿溶液加速老化3個(gè)月后,聚丙烯連接件在抗壓條件下的極限荷載和剛度基本不變;而老化6個(gè)月后試樣的極限荷載和和剛度均提高40%～50%。

(3)老化后和未老化試樣的DSC結(jié)果基本一致,其中,第一次升溫的Tm基本保持在163～167℃,結(jié)晶度在30%左右,第二次升溫的Tm基本保持在161～165℃,結(jié)晶度在33%左右。這說明經(jīng)過高溫堿溶液老化6個(gè)月后的聚丙烯連接件的熱性能基本保持不變。

(4)DMA結(jié)果顯示,未老化與老化后試樣的E′曲線在160℃附近均出現(xiàn)下降速率最大點(diǎn),這與DSC結(jié)果基本一致。同時(shí),老化前后各試樣的E′、E″和tanδ曲線基本一致。這進(jìn)一步說明在堿環(huán)境下加速老化后聚丙烯連接件的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能變化不大。