季節性凍土區服役條件下竹復合管材吸濕特性

張家陽 蘇安雙 費本華 吳志琴 馬建新

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

竹復合管是將連續的竹篾作為基材，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合管[1]。復合管具有原材料可再生、承壓能力強、保溫性能好、抗震能力強、使用壽命長、節能低碳、質量較輕、綜合造價低等諸多特點[2-3]。通過連續纏繞薄竹蔑自動化加工技術，充分發揮竹材軸向拉伸強度高的特性，制成新型生物基復合材料，竹復合管的生產充分利用竹資源和勞動力，有效解決了傳統竹產業加工制造的分散、技術粗放、高耗能、附加值低、犧牲環境、徒耗資源等諸多弊端，符合綠色發展理念，引領產業向集約型、低能耗、高附加值、智能化方向轉型，形成規模效益[4]，其技術有著巨大的市場潛力和廣闊的發展前景，可廣泛應用于交通、市政、水利、建筑及軍工等領域。

水分是影響竹復合材料性能的重要因素，其影響貫穿于材料的整個生命周期，從材料形成到后期產品的加工、制備、使用等[5]。江澤慧等[6]研究認為，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性能時發現，竹材含水率在由5%增至26%時，竹材的拉伸強度呈線性下降，但其斷裂伸長率則出現小幅度的增加。Yu等[8]發現，當含水率低小于10.8%時，竹材的拉伸強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性能，發現竹材隨含水率從0增至60%，其拉伸強度呈現下降、但斷裂伸長率增加的趨勢。曹金珍[10]從熱力學角度研究木材的水分吸著過程時發現，在含水率較低時，水分子主要是與自己結合，而隨著含水率進一步增加，水分子才會逐漸與木材結合。

復合材料在使用中，吸濕后其性能會發生改變[11-12]。當外界溫濕度改變時，成型后的管材會發生溶脹、脫膠等現象，嚴重時會出現跳絲、瓦狀變形、開裂等現象[13-15]。研究發現，竹塑復合材料[16]及用竹纖維和樹脂制備成的竹纖維復合材料[17]，均存在產品密度較低、膠粘能力差的現象；當外界溫濕度改變時，則存在尺寸穩定性差、產品發生跳絲或開裂現象[18]。當竹基纖維復合材料歷經水分、溫度和應力等聯合作用后，產生濕脹或干縮，導致尺寸不穩定，在其內應力驅使下發生翹曲、變形、開裂等劣化過程，劣化機制是水分對竹木細胞壁、界面膠合劑產生了影響，并引起物理力學性能的變化[19-21]。竹復合材料在季節性凍土區應用時，會經歷更為復雜的服役條件，老化問題隨之而來，吸濕性作為評價竹復合材料耐水性的重要指標，研究提高材料的防水性能，推動竹復合材料產品的應用，具有重要的意義。

本文測試了竹復合管材在模擬季凍區敷設、埋設服役工況下的吸濕特性，不同含水率下管材的力學性能，同時比較分析了6種防護措施下的吸濕特性優劣情況。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 試件制備

依據標準《竹纏繞復合管》(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，在標準試驗環境狀態下，對試件進行狀態調節至少24 h。為符合管道實際運行狀態，將試件5個面進行熱固性樹脂刮涂處理，保留貼近環境面進行試驗。

1.3 試驗內容

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

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) 埋設工況試件吸濕特性測試。季節性凍土指地表層冬季凍結、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。依據季節性凍土區不同深度的水稻田土溫與含水率數據(表1)，模擬季節性凍土區埋設試驗工況，將試件埋設在不同含水率(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，計算試件的吸水率。

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

表1 季節性凍土區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) 敷設工況試件吸濕特性測試。保證環境相對濕度恒定為90%，分別于10 ℃、20 ℃、30 ℃不同恒溫環境下(圖2b)，測試試件在0、5、10、20、30、40 d后的吸水情況，計算試件的吸水率。

4) 力學性能測試。依據標準《竹纏繞復合管》(GB/T 37805-2019)方法調節試件初始狀態，配置9.5%、65%、75%、85%、90%不同含水率下管材試件，在標準試驗條件下[溫度(23±2)℃，相對濕度(60±15)%]進行力學試驗，分析含水率對材料力學性能影響。

2 結果與分析

2.1 不同防護措施下試件吸濕特性

由試驗結果(表2)可知，采取不同防護措施，試件吸水率均有所下降，其中聚脲涂層處理效果最好。經聚脲涂層和防水膠漿處理后的竹復合材料尺寸穩定性好，且受水溫影響小。

表2 不同防護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、不同土體溫度下，與試件30 d時的吸水率相比，40 d時的吸水率變化值小于5%，表明竹復合管材最終吸水率會趨于穩定值。

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

2.3 敷設條件下試件吸濕特性

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

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

2.4 水分對試件力學性能影響

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

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

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

3 結論

1) 竹復合管材經過6種不同防護措施處理后，其吸水率均小于無防護處理，其中聚脲涂層處理的效果最好，竹復合管材穩定性好。

2) 經過40 d模擬試驗，在不同土體含水率埋設條件下，竹復合管材吸水率為32%～37%；在敷設工況下，竹復合管材吸水率為10%～15%。

3) 竹復合管材含水率在65%以下時，力學性能衰減率在5%左右；當含水率達到65%以上，竹復合管材力學性能衰減加快，需要進一步考慮防水措施，保證管道服役穩定性，提升產品性能。