竹纏繞復(fù)合管環(huán)剛度測(cè)試試驗(yàn)

張淑嫻 姜夏云 馬建新 孫元平 翁 赟

(1 浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司 杭州311253；2 國(guó)家林業(yè)和草原局竹纏繞復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心 杭州311253)

竹纏繞復(fù)合管是以竹材為基體材料， 以熱固性樹(shù)脂為膠黏劑， 采用纏繞工藝制成的管。 具有原料可再生、 承壓能力強(qiáng)、 保溫性能突出、 抗震抗沉降能力強(qiáng)、 使用壽命長(zhǎng)、 節(jié)能低碳、 重量輕、 綜合造價(jià)低等特點(diǎn)。 近年來(lái)， 隨著竹纏繞復(fù)合管中試完成，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段， 竹纏繞復(fù)合管應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，而環(huán)剛度是衡量管環(huán)在外載荷作用下抗徑向變形能力的一個(gè)重要性能參數(shù)[1]。 如果環(huán)剛度太小， 其不能夠承受外在的載荷而被壓壞； 反之， 如果管材的環(huán)剛度太大， 必然采用過(guò)大的截面慣性矩， 勢(shì)必會(huì)造成材料的浪費(fèi)[2]。

本文主要測(cè)試竹纏繞復(fù)合管母管、 母管承插連接處， 以及母管與束節(jié)連接后環(huán)剛度來(lái)分析竹纏繞復(fù)合管環(huán)剛度的變化， 基于對(duì)應(yīng)竹纏繞復(fù)合管環(huán)剛度等級(jí)， 對(duì)承插口連接處環(huán)剛度設(shè)計(jì)及母管與束節(jié)連接時(shí)束節(jié)環(huán)剛度的選擇給出合理建議。

1 材料與方法

1.1 原材料

竹纏繞復(fù)合管： DN 600-10 kN/m2管段3 件； DN 600-10 kN/m2承、 插口各3 件； DN 600-10 kN/m2插口3 件， DN 600-5 kN/m2束節(jié)3 件； DN 1 000-7 kN/m2插口4 件， DN 1 000-5 kN/m2束節(jié)4 件。 原材料均由浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司制作。

DN 600 對(duì) 應(yīng) 橡 膠 圈 (線 徑20 mm； 內(nèi) 徑568 mm) 12 條， DN 1 000 對(duì)應(yīng)橡膠圈 (線徑20 mm； 內(nèi)徑940 mm) 8 條。

1.2 試件制備

1.2.1 管段環(huán)剛度樣品

試樣依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2905-2017 《竹纏繞復(fù)合管》[3]制備。 裁切樣品長(zhǎng)度300 mm， 在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)4 h， 并在相同的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。 標(biāo)準(zhǔn)條件為： 溫度(23±2)℃、 相對(duì)濕度(50±10)%。

1.2.2 承插口連接及束節(jié)連接環(huán)剛度樣品

依據(jù)LY/T 2905-2017 《竹纏繞復(fù)合管》 承插口及相同管徑對(duì)應(yīng)束節(jié)尺寸制備試樣。 承插連接或束節(jié)連接后， 裁切樣品長(zhǎng)度300 mm (承插口連接后取承口平行段， 保證插口完全插入承口中； 束節(jié)連接取以連接處為中心， 兩邊各為150 mm 切割)， 在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)4 h， 并在相同的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。 標(biāo)準(zhǔn)條件為： 溫度 (23±2)℃、 相對(duì)濕度(50±10)%。

1.3 環(huán)剛度測(cè)試方法

1.3.1 管段環(huán)剛度和承插口連接環(huán)剛度測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5352-2005 纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法》[4]進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試試件的長(zhǎng)度、 試件內(nèi)徑和外徑， 壓縮徑向變形按試件中徑的3%計(jì)算， 按式(1) 計(jì)算得出以 (10±2)mm/min 的壓縮加載速度， 即(10±2) mm/min 進(jìn)行試驗(yàn)， 記錄試件3%變形時(shí)的力值， 根據(jù)公式(2) 計(jì)算出每個(gè)試件的環(huán)剛度值， 重復(fù)3 次， 取其平均值。

式(1) 中： V 為加載速度， 取整數(shù)， 管徑大于500 mm 時(shí)可修約到個(gè)位數(shù)為0 或5， 單位為mm/min； t 為管壁實(shí)際測(cè)試厚度， 單位mm； D 為管的計(jì)算直徑， 單位為mm， D ＝Dn+t。

式(2) 中： S 為環(huán)剛度， 單位為N/m2； Δy 為管直徑變化量， 取試件計(jì)算直徑的3%， 單位為m；F 為與Δy 相對(duì)應(yīng)的線載荷， 單位為N/m。

1.3.2 束節(jié)連接環(huán)剛度樣品測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5352-2005 纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法》 進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試試件的長(zhǎng)度、 試件內(nèi)徑和試件外徑， 壓縮徑向變形按試件中徑的3%計(jì)算， DN 600 按公式(1) 計(jì)算得出的(10±2) mm/min 的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)， DN 1 000按公式(1) 計(jì)算得出的(20±2) mm/min 的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)， 記錄試件3%變形時(shí)的力值。 根據(jù)公式(2) 計(jì)算出每個(gè)試件的環(huán)剛度值， 重復(fù)3次， 取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 管段環(huán)剛度

管段環(huán)剛度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。 可以看出， DN 600-10 kN/ m2環(huán)剛度平均值為10.69 kN/ m2， 符合標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 2905-2017) 對(duì)管段環(huán)剛度的要求， 即不小于10 kN/ m2。

表1 管段DN 600-10 kN/ m2環(huán)剛度測(cè)試結(jié)果

2.2 承插口連接環(huán)剛度

承口、 插口連接后環(huán)剛度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出， DN 600 管承口、 插口的環(huán)剛度均為10 kN/ m2， 承插連接后的環(huán)剛度平均為19.46 kN/ m2，是承口與插口兩者環(huán)剛度之和的97.3%。

2.3 束節(jié)連接環(huán)剛度

DN 600 和DN 1 000 束節(jié)連接后環(huán)剛度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。 可見(jiàn)， DN 600 管束節(jié)的環(huán)剛度為5 kN/m2， 插口的環(huán)剛度均為10 kN/ m2， 束節(jié)連接后測(cè)試的環(huán)剛度平均為17.35 kN/ m2， 是束節(jié)和插口兩者環(huán)剛度之和的116%。 DN 1 000 管束節(jié)的環(huán)剛度為5 kN/ m2， 插口的環(huán)剛度為7 kN/ m2， 束節(jié)連接后測(cè)試的剛度平均為12.89 kN/ m2， 是束節(jié)和插口兩者環(huán)剛度之和的107%。

表2 DN 600 管承插連接后環(huán)剛度測(cè)試結(jié)果

表3 DN 600 和DN 1 000 束節(jié)連接后環(huán)剛度測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明， 竹纏繞復(fù)合管不論是采用承插連接還是束節(jié)連接， 連接處的管環(huán)剛度值均大于管材母體的值， 且基本為兩者環(huán)剛度之和。 由此可以看出， 若在工程要求剛度條件下， 采用承插連接可以適當(dāng)降低承口處的環(huán)剛度， 采用束節(jié)連接也可以采取同樣的方法降低束節(jié)的環(huán)剛度。 在滿足工程要求的條件下， 可以在很大程度上降低成本。