消防給水管道粘接技術研究

魏隨旺

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

消防給水管道作為消防作業中的重要組成部分，在現代生活中應用較為廣泛，無論是穿過地下室外墻、構筑物墻壁，還是屋面等具有防水要求的位置都需要設計給水流速不應大于7 m/s的消防給水管道，且由于消防給水管道需要穿過不同的建筑物，往往在安裝過程中需要進行膠接處理。消防給水管道的膠接主要是指采用膠粘劑通過一系列物理/化學反應將消防給水管道的基底材料粘接在一起，實現不同部位的膠接[1-3]。該工藝相較于傳統的鉚接、焊接等具有操作簡單、對基底材料影響較小等優點[4]，在現代消防給水管道的連接技術中具有良好的應用前景。比如消防給水管道中的鋼絲網骨架復合塑料管，當其采用粘接技術后，在接口強度、耐高溫、抗老化和防滲漏等方面有明顯優勢，可以應用于自動噴水滅火系統輕危險級、中危險級工程中，安裝方便且可以減少結構荷載要求等。然而，消防給水管道的使用環境較為復雜，需要長期經歷高溫、腐蝕介質和老化環境[5]，這就給消防給水管道用膠粘劑提出了更高的要求。雖然傳統膠粘劑在單一環境因素下，如溫度、載荷等作用下的應用性能的研究已有報道，但是在多因素耦合作用下(溫度+荷載+老化時間等)的使用性能的研究報道較少[6-8]，具體作用機理也不清楚。為了模擬現實生活中消防給水管道膠粘劑的使用環境，本文考察了溫度、荷載和老化時間多因素耦合作用下消防給水管道膠粘劑的蠕變和拉伸性能，結果有助于提升消防給水管道粘接技術提升和改進，消除膠粘劑應用過程中的誤區，避免消防給水管道由于膠粘劑問題而出現失效。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料為消防給水復合管道粘接用3MTMScotch-Weld 2216環氧膠粘劑，其特性：呈紫色，無氣味，粘性流體，抗拉強度38 MPa、斷后伸長率18%，固化方式為熱固性，黏度為36 Pa·s。

1.2 試樣制備

根據EN ISO 527—2—2012《塑料-拉伸性能的測定——第2部分:成型和擠出塑料的試驗條件》將膠粘劑制備成圖1所示尺寸。具體過程中包括[9]：將雙組分3MTMScotch-Weld 2216環氧膠粘劑混合均勻并消除內部氣泡，將混合均勻的膠粘劑注入啞鈴型塑料模具中；然后將模具轉入平板硫化機中進行98 ℃、60 min的固化處理，設定壓力為2.5 MPa，固化后空冷至室溫。

圖1 環氧樹脂膠粘劑試件尺寸示意圖Fig.1 Size diagram of epoxy resin adhesive test piece

1.3 測試方法

為了弄清楚消防給水管道粘接過程中的注意事項及其影響規律，共設計了5組試樣，具體如表1所示。

表1 膠粘劑試樣的試驗方案Tab.1 Test scheme of adhesive sample

由表1可知，第1組為室溫對照組試樣；第2組為50 ℃+未加載試樣；第3組為50 ℃+加載試樣；第4組為80 ℃+未加載試樣；第5組為80 ℃+加載試樣，該組試樣在蠕變6 h時就發生了蠕變破壞，發生完全失效，這主要與其溫度遠高于試件的玻璃化轉變溫度(67 ℃)有關[10]。加載時只施加靜態拉伸試樣25%抗拉強度的載荷，老化時間分別為5、10和15 d，老化溫度設定為室溫、50 ℃和80 ℃。在MTS-810型液壓伺服萬能材料試驗機上進行蠕變和靜態拉伸實驗[11-12]，測試溫度為室溫。

2 結果與分析

2.1 蠕變應變-時間曲線

圖2為消防給水管道膠粘劑的蠕變-時間曲線，分別列出了50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應變-時間關系及擬合曲線。

圖2 消防給水管道膠粘劑的蠕變-時間曲線Fig.2 Creep time curve of fire water supply pipeline adhesive

從圖2可以看出，50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應變-時間關系的變化趨勢基本相同，二者的蠕變曲線基本都分為3個階段：第1個階段，試樣的蠕變應變會隨著時間的延長快速增加，但是應變速率呈現逐漸減小特征；第2個階段成為穩態蠕變階段，這個階段的特征是蠕變應變會隨著時間延長而均勻增加；第3個階段的蠕變應變會隨著時間快速增加，這個階段對應加速蠕變階段[13-14]。對比分析可知，在相同蠕變時間下，加載試件的蠕變應變要比相同溫度下未加載時間的蠕變應變要更大；當老化時間為120 d時，2種時間的蠕變應變分別為1.89%和5.49%，繼續延長蠕變時間，2種試樣的蠕變應變都會繼續增大，但是加載試件的蠕變應變要始終大于未加載試件。從50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應變-時間關系可知，無論是加載狀態還是未加載狀態，膠粘劑試件都會發生蠕變，只是蠕變程度和速率不同。

采用Origin軟件對50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應變-時間關系曲線進行擬合，可分別得到50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變擬合曲線：

ε=0.135×t-0.79

(1)

ε=0.005×4.6662.82×t-0.82

(2)

式中:ε為蠕變應變;t為蠕變時間[15]。

2.2 載荷對應力-應變曲線的影響

圖3為不同載荷下消防給水管道膠粘劑的應力-應變曲線，分別列出了載荷為5、10和15 N時膠粘劑試樣的位移-載荷曲線。

圖3 不同載荷下消防給水管道膠粘劑的應力-應變曲線Fig.3 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different loads

從圖3(a)可以看出，當老化時間為5 d時，50 ℃+加載試樣的位移要明顯小于50 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更大；從圖3(b)可以看出，當老化時間為10 d時，50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載更大；從圖3(c)可以看出，當老化時間為15 d時，50 ℃+加載試樣的位移要略大于50 ℃+未加載試樣，而前者的極限荷載略小。由此可見，對于加載試樣和未加載試樣，其位移和極限荷載會隨著老化時間發生改變，在老化時間為10 d及以下時，50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于50 ℃+未加載試樣；老化時間為10 d以上時，50 ℃+加載試樣的位移要大于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣。

2.3 溫度對應力-應變曲線的影響

圖4為不同溫度下消防給水管道膠粘劑的應力-應變曲線，分別列出了老化時間為5、10和15 d時膠粘劑試樣的位移-載荷曲線。

圖4 不同溫度下消防給水管道膠粘劑的應力-應變曲線Fig.4 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different temperatures

從圖4(a)可以看出，當加載載荷為5 N時，50 ℃+未加載試樣的位移要明顯大于80 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更小；從圖4(b)可以看出，當加載載荷為10 N時，50 ℃+未加載試樣的位移要小于80 ℃+未加載試樣，且是前者的極限荷載也更小；從圖4(c)可以看出，當加載載荷為15 N時，50 ℃+未加載試樣的位移要明顯小于80 ℃+未加載試樣，但是前者的極限荷載明顯更大。由此可見，對于加載試樣和未加載試樣，其位移和極限荷載會隨著溫度發生改變，在老化時間為5 d時，50 ℃+未加載試樣的位移要大于80 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于80 ℃+未加載試樣；老化時間為10 d以上時，50 ℃+加載試樣的位移和極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣；老化時間為15 d以上時，50 ℃+未加載試樣的位移要小于80 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于80 ℃+未加載試樣。

2.4 老化時間對應力應變的影響

2.4.1應力-應變曲線

圖5為不同老化時間下消防給水管道膠粘劑的應力-應變曲線，分別列出了50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的位移-載荷曲線。

(a)50 ℃+未加載

(b)50 ℃+加載

(c)80 ℃+未加載圖5 不同老化時間下消防給水管道膠粘劑的 應力-應變曲線Fig.5 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different aging times

從圖5(a)可以看出，對于50 ℃+未加載試樣，老化時間越長位移越小、極限荷載越大；從圖5(b)可以看出，對于50 ℃+加載試樣，極限位移從大至小順序依次為：老化時間5 d、老化時間10 d、老化時間15 d；極限荷載從大至小順序依次為：老化時間10 d、老化時間5 d、老化時間15 d；從圖5(c)可以看出，對于80 ℃+未加載試樣，極限位移從大至小順序依次為：老化時間5 d、老化時間10 d、老化時間15 d，極限荷載從大至小順序依次為：老化時間10 d、老化時間15 d、老化時間5 d。由此可見，對于50 ℃+加載試樣和80 ℃+未加載試樣，老化時間為10 d時試樣具有最大的極限荷載，老化時間為5 d時具有最大的極限位移，老化時間為15 d時極限荷載和極限位移都較小；這主要與此時膠粘劑試樣都發生了過老化有關[16-19]。

2.4.2蠕變應變和拉伸失效強度

表2為消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應變和拉伸失效強度統計結果。

表2 消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應變 和拉伸失效強度統計結果Tab.2 Statistical results of creep strain and tensile failure strength of fire water supply pipeline adhesive samples

由表2可知，對照組試樣的蠕變應變為0%、拉伸失效強度為19.06 MPa。當老化時間為5 d時，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應變分別為1.89%、5.48%和0%，拉伸失效強度分別為24.68、19.68和25.20 MPa；當老化時間為10 d時，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應變分別為2.09%、6.31%和0%，拉伸失效強度分別為27.43、31.06和28.18 MPa；當老化時間為15 d時，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的蠕變應變分別為2.25%、6.71%和0%，拉伸失效強度分別為29.55、28.50和25.97 MPa。由此可見，與對照組試樣相比，經過5 d老化處理后，消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強度有不同程度升高；繼續進行10 d老化處理后，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強度會進一步提高；當老化時間為15 d時，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強度會有所減小，這也就說明老化時間太長會降低消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強度。此外，對于50 ℃+未加載和50 ℃+加載試樣，隨著老化時間從5 d延長至15 d時，消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應變會不斷增大，且在相同溫度和老化時間下，50 ℃+未加載試樣的蠕變應變要小于50 ℃+加載試樣。這也就說明加載會在一定程度增加消防給水管道膠粘劑試樣的蠕變應變[20]。

3 結語

(1)無論是加載狀態還是未加載狀態，消防給水管道粘接用50 ℃+加載、50 ℃+未加載膠粘劑試件都會發生蠕變，只是蠕變程度和速率不同。采用Origin軟件對50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變應變-時間關系曲線進行擬合，可分別得到50 ℃+加載、50 ℃+未加載試樣的蠕變擬合曲線；

(2)在老化時間為10 d及以下時，消防給水管道粘接用50 ℃+加載試樣的位移要小于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要大于50 ℃+未加載試樣；而老化時間為10 d以上時，50 ℃+加載試樣的位移要大于50 ℃+未加載試樣，極限荷載要小于50 ℃+未加載試樣。對于50 ℃+加載試樣和80 ℃+未加載試樣，老化時間為10 d時，試樣具有最大的極限荷載；老化時間為5 d時具有最大的極限位移；而老化時間為15 d時，極限荷載和極限位移都較小；

(3)與對照組試樣相比，經過5 d老化處理后，消防給水管道膠粘劑試樣的拉伸失效強度有不同程度升高，繼續進行10 d老化處理后，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強度會進一步提高；但是當老化時間為15 d時，50 ℃+未加載、50 ℃+加載和80 ℃+未加載試樣的拉伸失效強度會有所減小。