聚氨酯接縫材料力學(xué)特性與抗老化性能研究

陳紅兵

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模和速度逐漸增大，交通工程、水利工程及建筑工程等均面臨工程接縫的密接問題。因此，工程接縫材料的研究成為工程施工中的重要問題。傳統(tǒng)接縫材料的力學(xué)性能及抗老化性能對于現(xiàn)階段工程建設(shè)適應(yīng)性差，需要研究具有新的接縫材料[1-3]。聚氨酯接縫材料是具有高拉伸特性、較高的黏結(jié)強(qiáng)度以及較高的耐腐蝕等特性，是目前常用的工程接縫材料[4-5]。對于接縫材料的研究，潘金燕等針對建筑裝配式中出現(xiàn)的接縫拼裝材料開展研究，研發(fā)一種接縫膠泥來實(shí)現(xiàn)密封；薛菁等研究硅酮、聚硫、聚氨酯及新型聚硫氨酯接縫材料的力學(xué)特性，并對比各種材料的接縫效果；吳夢娜等研究PTN石油瀝青聚氨酯作為接縫材料的性能，考慮溫度從20 ℃至-100 ℃的變化，得到材料基本力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律；林永亮等以PTN渠道接縫材料為研究對象，得到不同組成配比條件下接縫材料抗紫外線老化性能；宋華坤等研究不同固化劑條件下改性聚氨酯接縫材料的力學(xué)特性變化規(guī)律，得到三亞乙基二胺是試驗(yàn)所選材料性能較為優(yōu)異；張慧莉等考慮瀝青改性聚氨酯的黏結(jié)特性，研究不同界面處理方式對接縫材料的影響特征；王孟瑋等研究輕質(zhì)砂加氣混凝土墻板接縫的抗?jié)B黏結(jié)材料，得到聚氨酯密封膠作為接縫材料具有較高的黏結(jié)性能；趙守佳等研究水泥混凝土路面接縫問題，分析JYM-聚氨酯彈性密封膠對接縫的黏結(jié)效果。聚氨酯材料作為接縫或者裂縫的黏結(jié)材料，在不同工程領(lǐng)域，如建筑工程、水利工程及道路工程等取得廣泛的應(yīng)用，因此，應(yīng)充分研究聚氨酯接縫材料力學(xué)性能，以及在不同環(huán)境中的抗老化性能。

基于聚氨酯接縫材料的廣泛應(yīng)用，從聚氨酯接縫材料力學(xué)特性與抗老化性能開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，主要研究不同粉煤灰摻量條件下聚氨酯接縫材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率以及拉伸黏結(jié)強(qiáng)度等參數(shù)。同時，研究不同溫度影響下聚氨酯接縫材料的抗老化性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

聚氨酯接縫材料為雙組分形式，包括甲組分與乙組分。其中，甲組分主要成分為聚醚多元醇(聚醚二元醇、聚醚三元醇等)，在超聲波作用下，在反應(yīng)容器中歷經(jīng)7.5 h反應(yīng)。乙組分主要為異氰酸酯、粉煤灰、固化劑等，試驗(yàn)中考慮粉煤灰對聚氨酯接縫材料的影響，因此乙組分材料主要區(qū)別在于粉煤灰摻量的不同，其他材料保持一致。甲組分與乙組分的比例為1∶1。

乙組分摻加的粉煤灰選擇當(dāng)?shù)仉姀S生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，顏色為灰褐色，狀態(tài)為粉末狀，粉煤灰的主要成分包括SiO2、Fe2O3、CaO、Al2O3等。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測定試驗(yàn)中所用的粉煤灰密度為2.10 g/cm3，其他性能參數(shù)包括燒失量為6.80%，細(xì)度為12.50%，需水量比為95.50%。

根據(jù)材料的配比不同，主要考慮粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%時，聚氨酯接縫材料的硬度、拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長率。同時，分析不同溫度條件抗老化性能。對于聚氨酯接縫材料力學(xué)性能的影響，主要是通過試驗(yàn)儀器得到粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%的硬度、斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度。針對不同溫度影響下聚氨酯接縫材料抗老化性能，研究溫度為40 ℃、50℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃條件下的斷裂伸長率以及拉伸黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 聚氨酯接縫材料力學(xué)特性

粉煤灰含量對于聚氨酯接縫材料力學(xué)特性產(chǎn)生一定影響，因此主要考慮粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%時，分析聚氨酯接縫材料的硬度、斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律。見圖1。

圖1 粉煤灰摻量對材料力學(xué)性質(zhì)影響Fig.1 Effect of fly ash content on mechanical properties of materials

粉煤灰的摻量能夠明顯影響聚氨酯接縫材料的力學(xué)性質(zhì)，隨著粉煤灰摻量的增加，聚氨酯材料的硬度顯著增強(qiáng)，同時材料拉伸強(qiáng)度增大。隨著粉煤灰摻量的增加，聚氨酯接縫材料的斷裂拉伸率逐漸減小。利用數(shù)學(xué)分析軟件可以得到粉煤灰摻量與硬度、拉伸強(qiáng)度及斷裂拉伸率的定量關(guān)系，演化關(guān)系可以采用指數(shù)函數(shù)關(guān)系來描述。

不同粉煤灰摻量條件下，材料硬度與斷裂拉伸率、拉伸強(qiáng)度的變化關(guān)系，見圖2。由圖2可知，變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)變化特征，擬合效果較好。

圖2 硬度與斷裂拉伸率、拉伸強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between hardness and elongation at break,tensile strength

2.2 聚氨酯接縫材料抗老化性能

由于工程所處的環(huán)境比較復(fù)雜，對于聚氨酯接縫材料的抗老化性能提出更高的要求。環(huán)境溫度的變化引起聚氨酯接縫材料老化，通過分析溫度為30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃條件下斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到不同溫度條件下聚氨酯接縫材料抗老化性能。見圖3。

圖3 不同溫度條件下聚氨酯接縫斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度Fig.3 Elongation at break and tensile strength of polyurethane joints under different temperature conditions

根據(jù)圖3可以得到，隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率呈現(xiàn)相反的變化趨勢。拉伸強(qiáng)度隨溫度升高近似呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低，降低幅度較小，從-60 ℃降低至30 ℃時，降幅約占26.70%。斷裂伸長率隨著溫度升高逐漸提高，增加幅度明顯高于拉伸強(qiáng)度，從-60 ℃降低至30 ℃時，斷裂伸長率增幅約為89.10%。隨著聚氨酯接縫材料所處溫度的降低，聚氨酯接縫材料內(nèi)部存在的孔隙等缺陷逐漸收縮，溫度降低的程度越大，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)繼續(xù)降低溫度時，對于材料結(jié)構(gòu)的影響較為微弱，聚氨酯接縫材料硬度及拉伸強(qiáng)度等參數(shù)幾乎維持不變。

3 結(jié) 論

針對聚氨酯接縫材料的力學(xué)特性及抗老化性能，主要考慮不同粉煤灰摻量以及不同溫度作用下聚氨酯材料的力學(xué)特性，根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1) 不同粉煤灰摻量聚氨酯材料硬度、斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律，隨著粉煤灰摻量的增加，聚氨酯接縫材料的斷裂伸長率逐漸減小。硬度與拉伸強(qiáng)度逐漸增大，粉煤灰摻量與硬度、斷裂伸長率以及拉伸強(qiáng)度演化關(guān)系可以采用指數(shù)函數(shù)關(guān)系來描述。不同粉煤灰摻量條件下材料硬度與斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度的變化關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)變化特征。

2) 不同溫度作用下聚氨酯材料抗老化性能，隨著溫度的升高，拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率呈現(xiàn)相反的變化趨勢，拉伸強(qiáng)度隨溫度升高近似呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系降低，斷裂伸長率隨著溫度升高逐漸提高。