季節(jié)性凍土區(qū)服役條件下竹復(fù)合管材吸濕特性

張家陽 蘇安雙 費(fèi)本華 吳志琴 馬建新

(1 黑龍江省水利科學(xué)研究院 哈爾濱 150080；2 國際竹藤中心 北京 100102；3 浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司 杭州 311253)

竹復(fù)合管是將連續(xù)的竹篾作為基材，輔以熱固性樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝方式制成的新型生物基復(fù)合管[1]。復(fù)合管具有原材料可再生、承壓能力強(qiáng)、保溫性能好、抗震能力強(qiáng)、使用壽命長、節(jié)能低碳、質(zhì)量較輕、綜合造價(jià)低等諸多特點(diǎn)[2-3]。通過連續(xù)纏繞薄竹蔑自動(dòng)化加工技術(shù)，充分發(fā)揮竹材軸向拉伸強(qiáng)度高的特性，制成新型生物基復(fù)合材料，竹復(fù)合管的生產(chǎn)充分利用竹資源和勞動(dòng)力，有效解決了傳統(tǒng)竹產(chǎn)業(yè)加工制造的分散、技術(shù)粗放、高耗能、附加值低、犧牲環(huán)境、徒耗資源等諸多弊端，符合綠色發(fā)展理念，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)向集約型、低能耗、高附加值、智能化方向轉(zhuǎn)型，形成規(guī)模效益[4]，其技術(shù)有著巨大的市場潛力和廣闊的發(fā)展前景，可廣泛應(yīng)用于交通、市政、水利、建筑及軍工等領(lǐng)域。

水分是影響竹復(fù)合材料性能的重要因素，其影響貫穿于材料的整個(gè)生命周期，從材料形成到后期產(chǎn)品的加工、制備、使用等[5]。江澤慧等[6]研究認(rèn)為，對于0.5、1.5、2.5、4.5年生的竹材，年齡較小的竹材其剪切強(qiáng)度受含水率的影響較大。王漢坤等[7]研究竹材纖維縱向拉伸的力學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，竹材含水率在由5%增至26%時(shí)，竹材的拉伸強(qiáng)度呈線性下降，但其斷裂伸長率則出現(xiàn)小幅度的增加。Yu等[8]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率低小于10.8%時(shí)，竹材的拉伸強(qiáng)度對水分變化不敏感。Zhang等[9]測試了竹材的微纖化纖維素的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)竹材隨含水率從0增至60%，其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降、但斷裂伸長率增加的趨勢。曹金珍[10]從熱力學(xué)角度研究木材的水分吸著過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，在含水率較低時(shí)，水分子主要是與自己結(jié)合，而隨著含水率進(jìn)一步增加，水分子才會(huì)逐漸與木材結(jié)合。

復(fù)合材料在使用中，吸濕后其性能會(huì)發(fā)生改變[11-12]。當(dāng)外界溫濕度改變時(shí)，成型后的管材會(huì)發(fā)生溶脹、脫膠等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳絲、瓦狀變形、開裂等現(xiàn)象[13-15]。研究發(fā)現(xiàn)，竹塑復(fù)合材料[16]及用竹纖維和樹脂制備成的竹纖維復(fù)合材料[17]，均存在產(chǎn)品密度較低、膠粘能力差的現(xiàn)象；當(dāng)外界溫濕度改變時(shí)，則存在尺寸穩(wěn)定性差、產(chǎn)品發(fā)生跳絲或開裂現(xiàn)象[18]。當(dāng)竹基纖維復(fù)合材料歷經(jīng)水分、溫度和應(yīng)力等聯(lián)合作用后，產(chǎn)生濕脹或干縮，導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定，在其內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使下發(fā)生翹曲、變形、開裂等劣化過程，劣化機(jī)制是水分對竹木細(xì)胞壁、界面膠合劑產(chǎn)生了影響，并引起物理力學(xué)性能的變化[19-21]。竹復(fù)合材料在季節(jié)性凍土區(qū)應(yīng)用時(shí)，會(huì)經(jīng)歷更為復(fù)雜的服役條件，老化問題隨之而來，吸濕性作為評價(jià)竹復(fù)合材料耐水性的重要指標(biāo)，研究提高材料的防水性能，推動(dòng)竹復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用，具有重要的意義。

本文測試了竹復(fù)合管材在模擬季凍區(qū)敷設(shè)、埋設(shè)服役工況下的吸濕特性，不同含水率下管材的力學(xué)性能，同時(shí)比較分析了6種防護(hù)措施下的吸濕特性優(yōu)劣情況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為竹復(fù)合管材，由浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司制備。竹復(fù)合管材主要由竹篾、樹脂、防輻射填料、固化劑、網(wǎng)格布等組成，平板規(guī)格為長300 mm、寬300 mm、厚度10.0～12.0 mm。

1.2 試件制備

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《竹纏繞復(fù)合管》(GB/T 37805-2019)制備試件[22]。制作長(120±1) mm、寬(15±0.2) mm、厚(10±0.2) mm的長條，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)下，對試件進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)至少24 h。為符合管道實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，將試件5個(gè)面進(jìn)行熱固性樹脂刮涂處理，保留貼近環(huán)境面進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1) 標(biāo)準(zhǔn)工況試件吸濕特性測試。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《竹纏繞復(fù)合管》(GB/T 37805-2019)試驗(yàn)方法，分別將試件完全浸入23 ℃水溫和沸水工況中進(jìn)行試驗(yàn)，測試試件在無防護(hù)措施(CK)及不同防護(hù)措施下的吸水率。試件設(shè)置6種防護(hù)措施(圖1)：防水膠漿、瀝青涂料、聚脲涂層、防水卷材、改性水泥、976防護(hù)材料；無防護(hù)措施試件為未做任何防護(hù)措施處理的竹復(fù)合管材。

注：a)瀝青涂料；b)聚脲涂層；c)防水膠漿；d)防水卷材；e)改性水泥； f)976防護(hù)材料。圖1 不同防水措施處理的試件Fig.1 The specimens treated with different waterproof measures

2) 埋設(shè)工況試件吸濕特性測試。季節(jié)性凍土指地表層冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土(巖)，其下部則為常年處于0 ℃以上的暖土層。依據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)不同深度的水稻田土溫與含水率數(shù)據(jù)(表1)，模擬季節(jié)性凍土區(qū)埋設(shè)試驗(yàn)工況，將試件埋設(shè)在不同含水率(20%、26%、32%)的土體中，以及模擬不同土體溫度0 ℃、5 ℃、10 ℃的恒溫條件中(圖2a)，分別測試試件在0、5、10、20、30、40 d后的吸水情況，計(jì)算試件的吸水率。

注：a)埋設(shè)工況；b)敷設(shè)工況。圖2 試件實(shí)際服役條件工況模擬Fig.2 The simulation of actual service condition for the specimens

表1 季節(jié)性凍土區(qū)水稻田的土壤溫度及含水率Tab.1 The soil temperature and moisture content of paddy field in seasonal frozen soil region

3) 敷設(shè)工況試件吸濕特性測試。保證環(huán)境相對濕度恒定為90%，分別于10 ℃、20 ℃、30 ℃不同恒溫環(huán)境下(圖2b)，測試試件在0、5、10、20、30、40 d后的吸水情況，計(jì)算試件的吸水率。

4) 力學(xué)性能測試。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《竹纏繞復(fù)合管》(GB/T 37805-2019)方法調(diào)節(jié)試件初始狀態(tài)，配置9.5%、65%、75%、85%、90%不同含水率下管材試件，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下[溫度(23±2)℃，相對濕度(60±15)%]進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，分析含水率對材料力學(xué)性能影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同防護(hù)措施下試件吸濕特性

由試驗(yàn)結(jié)果(表2)可知，采取不同防護(hù)措施，試件吸水率均有所下降，其中聚脲涂層處理效果最好。經(jīng)聚脲涂層和防水膠漿處理后的竹復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性好，且受水溫影響小。

表2 不同防護(hù)措施下試件的吸水率Tab.2 The water absorption rate of the specimen with different protective measures

2.2 埋設(shè)條件下試件吸濕特性

由表3可知，在土體含水率恒定條件下，隨著土體溫度由0℃升高至10℃，試件吸水率逐漸增加。在土體溫度恒定條件下，隨著土體含水率增加，試件吸水率亦逐漸增加。在土體含水率32%時(shí)、不同土體溫度下，與試件30 d時(shí)的吸水率相比，40 d時(shí)的吸水率變化值小于5%，表明竹復(fù)合管材最終吸水率會(huì)趨于穩(wěn)定值。

表3 埋設(shè)工況下試件的吸水率Tab.3 The water absorption rate of the specimen under different embedding conditions

2.3 敷設(shè)條件下試件吸濕特性

由圖3可知，在環(huán)境相對濕度恒定為90%時(shí)，在環(huán)境溫度10 ℃、20 ℃、30 ℃下，溫度越高，試件吸水率越大；隨敷設(shè)時(shí)間增加，吸水率變化呈先快后慢的趨勢，最終呈現(xiàn)平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同環(huán)境溫度下試件的吸水率Fig.3 The water absorption rate of specimen at different ambient temperatures

2.4 水分對試件力學(xué)性能影響

水分對竹木細(xì)胞壁、界面膠合劑產(chǎn)生影響，引起竹復(fù)合管材物理力學(xué)性能的變化，吸濕性能越強(qiáng)，對試件的力學(xué)性能影響越大[23]。由圖4可知，當(dāng)竹復(fù)合管材含水率由10%增加至65%時(shí)，試件力學(xué)強(qiáng)度衰減緩慢，拉伸強(qiáng)度衰減率為1.4%、壓縮強(qiáng)度衰減率為1.6%、彎曲強(qiáng)度衰減率為5.7%；當(dāng)試件含水率由65%增加至90%時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度衰減加快，拉伸強(qiáng)度衰減率為34.1%、壓縮強(qiáng)度衰減率為25.6%、彎曲強(qiáng)度衰減率為15.4%。

圖4 不同含水率試件的力學(xué)性能Fig.4 The mechanical properties of specimen with different water content

由王漢坤的研究[24]可知，水分對竹材力學(xué)性能的影響較大，竹材含水率由10%變化至65%時(shí)，其順紋抗壓強(qiáng)度下降49.52%，順紋抗拉強(qiáng)度下降24.81%，順紋抗剪強(qiáng)度下降32.37%，降幅均明顯高于竹復(fù)合管材力學(xué)性能的變化。竹復(fù)合管材吸水率直接影響材料的拉伸強(qiáng)度，而密度、竹種、離地高度等其他因素也影響著竹復(fù)合管材的力學(xué)性能，對于竹復(fù)合管材需深入開展相關(guān)研究，保證產(chǎn)品實(shí)用性。

3 結(jié)論

1) 竹復(fù)合管材經(jīng)過6種不同防護(hù)措施處理后，其吸水率均小于無防護(hù)處理，其中聚脲涂層處理的效果最好，竹復(fù)合管材穩(wěn)定性好。

2) 經(jīng)過40 d模擬試驗(yàn)，在不同土體含水率埋設(shè)條件下，竹復(fù)合管材吸水率為32%～37%；在敷設(shè)工況下，竹復(fù)合管材吸水率為10%～15%。

3) 竹復(fù)合管材含水率在65%以下時(shí)，力學(xué)性能衰減率在5%左右；當(dāng)含水率達(dá)到65%以上，竹復(fù)合管材力學(xué)性能衰減加快，需要進(jìn)一步考慮防水措施，保證管道服役穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品性能。