低成本拼裝式建筑合成材料老化試驗(yàn)研究綜述

李瑞凌

（昆明通泰置業(yè)有限公司，云南昆明650000)

城市化進(jìn)程的加快，使得人們對建筑空間的需求越來越多，因此城市建筑數(shù)量每年都在增加。然而，隨著建筑數(shù)量的增多，房屋價(jià)格并不沒有隨之降低，因此不少企業(yè)為增加房屋銷售量，并同時(shí)保證自身盈利，在拼裝式建筑建造過程中，使用了一些合成材料，如塑料、橡膠、薄膜等，降低拼裝式建筑成本，以便取得價(jià)格優(yōu)勢。合成材料與傳統(tǒng)基本材料相比，種類多樣、成本低廉、可塑性強(qiáng)，但是易受外界環(huán)境因素的影響，如太陽光、氧氣、溫度、水分、pH 值，在使用一段時(shí)間后，會發(fā)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致使用壽命不長，需要定時(shí)更換，否則有可能降低拼裝式建筑安全性和穩(wěn)定性［1］。為此，進(jìn)行拼裝式建筑合成材料老化試驗(yàn)對于提高合成材料的老化性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對于拼裝式建筑合成材料老化試驗(yàn)研究方法有很多，如蔣文凱等研究了在紫外光作用下的土工合成材料老化性能；張盈鎖等研究了高分子合成材料在一定溫度范圍內(nèi)的老化過程；陳經(jīng)盛研究了橡膠這種常見的拼裝式建筑合成材料在濕熱環(huán)境下的老化過程。以上這些方法都是在某一個因素的影響下研究合成材料老化性能，而拼裝式建筑合成材料老化是在多種自然條件共同作用下的性能逐漸退化的過程，研究一個具體因素下合成老化過程是不準(zhǔn)確的，具有一定的局限性。

針對上述問題，本文模擬自然因素對拼裝式建筑合成材料的作用，采用加速老化試驗(yàn)方法進(jìn)行其老化性能研究，性能研究范圍主要包括外觀變化、力學(xué)性能變化以及其它性能變化等三個方面［2］。通過本文研究，以期提升拼裝式建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)樣本

拼裝式建筑合成材料，也叫土工合成材料，是以塑料、化纖、合成橡膠等多種人工聚合物為原料基礎(chǔ)，混合而成的用于拼裝式建筑建造當(dāng)中的各種產(chǎn)品。目前主要有四大類：土工織物、土工膜、土工特種材料和土工復(fù)合材料［3-5］。在這里選擇一種HDPE 土工膜作為試驗(yàn)樣本，將其裁成30cm×20cm 的矩形塊進(jìn)行研究。該HDPE 土工膜產(chǎn)品規(guī)格見表1。

表1HDPE 土工膜產(chǎn)品規(guī)格Table 1 Specifications of HDPE geomembrane

1.2 試驗(yàn)儀器

老化試驗(yàn)中主要的試驗(yàn)儀器及作用見表2。

表2 試驗(yàn)儀器Table 2 Test instrument

1.3 試驗(yàn)方法

目前，老化試驗(yàn)方法主要有兩種：自然老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)。其中，前者是在真實(shí)自然條件下進(jìn)行的老化試驗(yàn)，因此試驗(yàn)周期一般會很長，在現(xiàn)實(shí)中，并不常用［6-7］。后者則是通過人工的方式來加速模擬自然條件的老化過程。這種試驗(yàn)方法可縮短材料的老化時(shí)間，試驗(yàn)周期短，可以較快完成老化分析［8］。根據(jù)上述兩種老化試驗(yàn)方法的特點(diǎn)，選擇人工加速老化的方式進(jìn)行拼裝式建筑合成材料老化研究。

1.4 一般試驗(yàn)條件

土工膜主要受到光照、氧氣、溫度、濕度和臭氧等條件的影響，因此根據(jù)上述條件一般進(jìn)行人工光氧老化、人工濕熱老化、人工臭氧老化［9］三種試驗(yàn)。其各種試驗(yàn) 條件設(shè)置如下。

（1）人工光氧老化

測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM G53-88《非金屬材料曝曬用光、水曝曬儀（熒光紫外-冷凝型）標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》；光源：UVA-340（40W）紫外光；光照溫度：60℃；輻照強(qiáng)度：0.50W/m2（340nm）；凝聚溫度：20 ℃～25 ℃；光照方式：22h 持續(xù)光照，2h 自然冷凝；循環(huán)周期：24h；取樣間隔：48h；取樣次數(shù)：10 次；試驗(yàn)過程：將試樣置于紫外光耐氣候試驗(yàn)箱中，設(shè)置光照條件，經(jīng)過一段時(shí)間加速老化，測試?yán)匣昂笮阅茏兓?/p>

（2）人工濕熱老化

測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3512、GB/T 7759、GB/T 2941；老化溫度：70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃；溫度波動：±0.5℃；濕度波動：±2%R·H；加熱方式：23h 持續(xù)光照，1h 自然冷凝；循環(huán)周期：24h；取樣間隔：24h；取樣次數(shù)：10 次；試驗(yàn)過程：將試樣置于熱老化箱中，使其在一定溫濕度下經(jīng)受熱和氧的加速老化作用，間隔取樣測試?yán)匣昂蟪叽缱兓闆r。

（3）人工臭氧老化

1)測試標(biāo)準(zhǔn)： A S T M D 3395；溫度：50℃；相對濕 度：40% R·H；臭 氧 濃 度：0～10-6；0～10-5；0～10-4；0～10-3；測試箱內(nèi)流動速度：450mm/ s；新鮮空氣流速：5 L/min；循環(huán)周期：48h；取樣間隔：48h；取樣次數(shù)：10 次；試驗(yàn)過程：將試樣置于臭氧老化試驗(yàn)箱中，使其暴露在一定濃度的臭氧環(huán)境中一段時(shí)間。測試樣性狀的 變化，以分析其老化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在經(jīng)過人工光氧老化、濕熱老化、臭氧老化等三種處理后，利用掃描電鏡、電子天平、萬能力能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對其老化性能進(jìn)行分析［10］。

2.1 試驗(yàn)樣本外觀

利用掃描電鏡對試驗(yàn)樣本臭氧老化處理前、處理中和處理后三個階段的試驗(yàn)樣本外觀進(jìn)行分析［11］。電鏡掃描倍數(shù)為放大1600 倍（如圖1 所示）。

圖1 試驗(yàn)樣本外觀變化情況Fig.1 Appearance change of test sample

由圖1 可知，HDPE 土工膜老化前，樣本表面光滑平整，無孔洞和裂紋，但是老化240h 后，HDPE 土工膜有明顯顆粒分布，表面變得較為粗糙，且膜面不平展。老化試驗(yàn)結(jié)束后，HDPE 土工膜明顯有結(jié)塊及孔洞出現(xiàn)。

2.2 試驗(yàn)樣本力學(xué)性能

（1）樣品拉伸強(qiáng)度和保持率

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在光氧老化初期，各試件的強(qiáng)度迅速下降，中期出現(xiàn)短時(shí)間上升，然后又逐漸減少，且強(qiáng)度的降低速率較初期減小，老化時(shí)間為480h 時(shí)拉伸強(qiáng)度的保持率僅為 23.7%。

（2）試樣斷裂伸長率變化情況見圖2：

由圖2 可知，試樣斷裂伸長率在最初0～50h 的時(shí)間內(nèi)變化下降最大，之后一直保持在較平穩(wěn)的狀態(tài)，在 480h 老化后，斷裂伸長率為13.5%，

圖2 試樣斷裂伸長率變化情況Fig.2 Change of elongation at break of sample

2.3 試驗(yàn)樣本其它性能

（1）試樣尺寸

試驗(yàn)表明，濕熱老化480h 處理后，尺寸由開始的30cm×20cm 變成52.3cm×40.2cm，明顯變大，并伴有粉狀情況，試樣完全失去原有形態(tài)。

（2）試樣質(zhì)量變化情況

由圖3 可知，在老化的最初72 小時(shí)內(nèi)，試樣失重速率很快，隨后失重速率逐漸下降，最后趨于平衡。在這一過程中，試樣質(zhì)量的損失很小，基本都沒超過1%。

圖3 試樣質(zhì)量變化情況Fig.3 Change of sample mass

3 結(jié)束語

近幾年拼裝式建筑行業(yè)競爭態(tài)勢越加激烈，不少拼裝式建筑商為贏得競爭優(yōu)勢，在拼裝式建筑中經(jīng)常使用合成材料，以便降低拼裝式建筑成本，贏得價(jià)格優(yōu)勢。合成材料較普通材料成本低、可塑性強(qiáng)，但是性能會隨著時(shí)間的推移逐漸降低、老化。一旦老化超過一定界限，就會失去價(jià)值，影響拼裝式建筑可靠性和安全性。在此背景下，進(jìn)行拼裝式建筑合成材料老化試驗(yàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文列舉并探討幾種老化前后樣品的外觀、力學(xué)性能以及其它性能等老化指標(biāo)變化情況，以期判斷拼裝式建筑合成材料的使用壽命，為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù)。