張盛行， 湯 雷， 賈 宇，2， 王玉磊，2

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

堤壩滲漏險(xiǎn)情的搶護(hù)一直是水利工程應(yīng)急搶險(xiǎn)工作中的關(guān)鍵任務(wù)[1-2].當(dāng)前的堵漏措施主要有土工合成材料覆蓋截滲、前戧培坡、嵌縫止水等[3-4]，這些方法多年來一直用于實(shí)際工程，也取得了相應(yīng)效果.但上述方法大多在滲水入口表面進(jìn)行封堵，對(duì)壩體內(nèi)部的滲水路徑填補(bǔ)效果甚微，而且距離水位面較深處裂縫的修復(fù)較難展開，造成修復(fù)效率不高.鑒于此，針對(duì)極端條件下堤壩水下滲漏病害，提出了“水下熔化相變材料應(yīng)急封堵滲漏通道”的方法：通過水下熔化相變材料，使其在滲漏入口處流場(chǎng)的作用下，以熔融狀態(tài)被吸入滲漏通道；在滲漏通道中，由于脫離熱源，相變材料又逐漸凝為固態(tài)，從而堵塞滲水路徑，達(dá)到應(yīng)急封堵的目的.目前已在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)此方法對(duì)相變堵漏材料的選用有較為苛刻的要求：(1)密度與水接近，因?yàn)橄嘧儾牧系娜刍^程均處于水下環(huán)境，密度過大(過小)會(huì)引起材料的下沉(上浮)，導(dǎo)致材料散失；(2)比熱容適宜，保證在動(dòng)水這一熱量散失較為迅速的環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)將其熔為液態(tài)，在滲水通道中又能凝為固態(tài)；(3)抗?jié)B性能好，能滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)要求；(4)環(huán)保，從生態(tài)角度出發(fā)，要求材料無毒、無污染.

通過前期試驗(yàn)，石蠟、松香、硬脂酸3種相變材料均滿足了上述要求，取得了良好的堵漏效果，也展現(xiàn)出了各自特點(diǎn):石蠟性質(zhì)穩(wěn)定，流動(dòng)性好，熔點(diǎn)適宜，但強(qiáng)度低，固液轉(zhuǎn)化后體積變化大；硬脂酸液固轉(zhuǎn)化后體積變化小，熔點(diǎn)適宜，流動(dòng)性極好，但凝固速率過快，堵漏長度較短；松香硬度較大，堵漏密實(shí)性好，但流動(dòng)性差，加熱易氣化，材質(zhì)偏脆.

因此，為規(guī)避材料各自缺陷，使堵漏效果更佳，本文基于上述3種材料，進(jìn)行了復(fù)合相變材料配置，開展流動(dòng)性試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，以選取出較為適宜的配合比，提升堵漏性能.

1 試驗(yàn)材料

1.1 石蠟

石蠟是從重質(zhì)柴油餾分和潤滑油餾分中(350～500℃)分離出來的固體烴[5].廣泛應(yīng)用于化工、食品和醫(yī)療等行業(yè).在土木工程領(lǐng)域，常作為復(fù)合材料用于相變儲(chǔ)能材料及相似材料的研究中[6-9]，如相變儲(chǔ)能混凝土和固液耦合相似材料等.此外，在GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中將石蠟作為混凝土、水泥砂漿抗?jié)B試驗(yàn)的封模材料，可見其抗?jié)B性能較好.試驗(yàn)所用石蠟為大慶昆侖58#全精煉石蠟，其相關(guān)物理參數(shù)見表1.

1.2 松香

松香是松樹分泌的黏稠液體經(jīng)蒸餾而得到的一種天然樹脂，主要成分為樹脂酸，其顏色由微黃色至棕紅色[10].松香的黏性好，但內(nèi)聚力差，耐老化性不佳，易粉化[11-12].在土木工程中，松香多用于巖石相似材料的研究[13-14].本文試驗(yàn)所用松香產(chǎn)自廣西馬尾松，其相關(guān)物理參數(shù)見表1.

1.3 硬脂酸

硬脂酸是自然界廣泛存在的一種脂肪酸，被用于制備塑料耐寒增塑劑、橡膠硫化促進(jìn)劑等[15].常用于工業(yè)領(lǐng)域中PVC塑料的制造[16].本試驗(yàn)所用硬脂酸為雙馬橡塑級(jí)硬脂酸[17],其相關(guān)物理參數(shù)見表1.

表1 相變材料相關(guān)物理參數(shù)

2 流動(dòng)性測(cè)試

2.1 試驗(yàn)過程

參照GB/T 1723—1993《涂料粘度測(cè)定法》等規(guī)范，使用LND -1涂-4黏度計(jì)測(cè)定(105±5)℃熔融狀態(tài)下的復(fù)合相變材料，以表征不同配比下復(fù)合相變材料熔融狀態(tài)的流動(dòng)性變化趨勢(shì).配置不同質(zhì)量比的石蠟-松香和硬脂酸-松香復(fù)合相變材料(分別記作P-R和S-R)進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)過程如下：

(1)預(yù)熱黏度計(jì).使黏度計(jì)與液態(tài)相變材料溫度接近，減少熱交換，保證試驗(yàn)精度.

(2)調(diào)整黏度計(jì)處于水平位置.

(3)將配置好的熔融狀態(tài)相變材料倒?jié)M黏度計(jì)，并刮平黏度計(jì)表面.

(4)打開節(jié)流閥，同時(shí)啟動(dòng)秒表，記錄流束中斷時(shí)秒表讀數(shù)t.

(5)按上述步驟每種配比的材料測(cè)試3次，3次測(cè)定值之差應(yīng)不大于平均值的3%，結(jié)果取平均值.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

黏度計(jì)測(cè)得的是杯中液體流完所需的時(shí)間t.根據(jù)式(1)、(2)將試樣流出的時(shí)間換算成運(yùn)動(dòng)黏度γ，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制松香摻量wR與復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度γ的關(guān)系曲線，如圖1所示.

圖1 松香摻量與復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves between rosin content and viscosity of composite phase transition materials

(1)

ts=kt

(2)

式中：ts為標(biāo)準(zhǔn)流出時(shí)間，s；k為黏度計(jì)修正系數(shù).

由圖1可知，隨著松香摻量wR的增加，石蠟-松香復(fù)合相變材料的運(yùn)動(dòng)黏度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)增長趨勢(shì)，硬脂酸-松香復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度呈現(xiàn)三次函數(shù)的增長趨勢(shì).綜合來看，松香摻量的增加對(duì)2類復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度的影響既有相似性，又各有不同.其相似性在于，松香摻量的增加對(duì)復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度的影響大致可分為3個(gè)階段：摻量較小時(shí)的平穩(wěn)階段，穩(wěn)步增加的中間階段和快速增長階段.當(dāng)松香摻量為80%時(shí)，2類復(fù)合相變材料的運(yùn)動(dòng)黏度增長速率最大.其不同之處在于：松香的摻入對(duì)石蠟-松香復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度的影響較為平緩，3個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)黏度增長率變化區(qū)間較小；而對(duì)硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的影響前期不太明顯，后期運(yùn)動(dòng)黏度陡升卻較為迅速.對(duì)于石蠟-松香復(fù)合相變材料，當(dāng)松香摻量小于20%時(shí)，其運(yùn)動(dòng)黏度變化較?。欢鴮?duì)于硬脂酸-松香復(fù)合相變材料，當(dāng)松香摻量為40%時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度的影響仍然不大.究其原因，前期運(yùn)動(dòng)黏度變化較為緩慢，是由于石蠟和硬脂酸對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，而且硬脂酸對(duì)松香更具“稀釋”作用，使得松香摻量較多時(shí)復(fù)合相變材料運(yùn)動(dòng)黏度并沒有出現(xiàn)較為明顯的增長.后期運(yùn)動(dòng)黏度快速增加是由于松香摻量的提高使其對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，因而材料熔融狀態(tài)下的黏稠性較為明顯.

3 單軸壓縮試驗(yàn)

3.1 試件制備

參照巖石力學(xué)性能測(cè)試方法，制備直徑5cm，高10cm的不同配比復(fù)合相變材料圓柱體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).純松香做出的試件極易脆裂、剝落，難以成形，故未制備純松香試樣.為解決固液轉(zhuǎn)化后體積變化大，難以成形標(biāo)準(zhǔn)試件的問題，通過定制加高紙模具，采用一次成型法制備試件，待試件凝固后再將凹坑端頭割去，并將端頭打磨平整，制成標(biāo)準(zhǔn)試件.經(jīng)驗(yàn)證，使用該方法制備出的試件整體性較好，滿足試驗(yàn)要求，具體制備步驟如圖2.

圖2 試件制備流程Fig.2 Preparation flow chart of specimens

3.2 試驗(yàn)過程

參照DZ/T 0276.20—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)相變材料開展單軸壓縮試驗(yàn).試驗(yàn)在由南京運(yùn)達(dá)科工貿(mào)公司定制的液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用單一速率加載.采集數(shù)據(jù)包括：使用壓力傳感器采集荷載值P，使用位移計(jì)采集材料壓縮量S.荷載采用連續(xù)采集模式，每隔0.1s記錄1次數(shù)據(jù).

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1屈服狀態(tài)

單軸壓縮下石蠟-松香復(fù)合相變材料的屈服狀態(tài)如圖3所示.由圖3可得：純石蠟試件以劈裂張拉破壞為主，破壞裂隙基本平行于試樣軸線，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征，這同文獻(xiàn)[18]指出的純石蠟破壞形式一致；當(dāng)松香摻量為10%時(shí)，石蠟-松香復(fù)合相變材料表現(xiàn)出典型的剪切破壞特征，破壞裂隙與試件軸線呈斜交形態(tài)，破壞裂面為規(guī)則破壞斜面；其他配比下的石蠟-松香復(fù)合相變材料未能測(cè)得最終屈服狀態(tài)，因?yàn)樵嚰竭_(dá)屈服極限后，發(fā)生擠壓流動(dòng)和塑性變形，當(dāng)壓縮量達(dá)到總高度的25%時(shí)，仍未產(chǎn)生裂隙，但“應(yīng)力發(fā)白”現(xiàn)象較為明顯，“銀紋”與軸線夾角大致為45°.銀紋為聚合物所特有[19-20]，其密度為本體密度的50%，在張應(yīng)力作用下，材料某些薄弱地方出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生局部的塑性形變和取向，以至于在材料表面或內(nèi)部垂直于應(yīng)力方向上出現(xiàn)微細(xì)凹槽或裂紋，即“銀紋”.

圖3 單軸壓縮下石蠟-松香復(fù)合材料的屈服狀態(tài)Fig.3 Limit morphology of paraffin-rosin composite material under uniaxial compression

單軸壓縮下硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的破壞形態(tài)見圖4.由圖4可以得出：純硬脂酸試件壓縮破壞時(shí)被劈裂，為典型的劈裂張拉破壞；摻入松香后，試件破壞時(shí)在上下端面出現(xiàn)了較為明顯的剪切破壞特征，即破壞時(shí)上下端部出現(xiàn)了橫向或斜向的微小裂隙，并逐漸發(fā)展為裂紋并剝落，但最終還是以張拉破壞為主；其他摻量下的硬脂酸-松香復(fù)合相變材料試件未能測(cè)得最終破壞形態(tài)，因?yàn)楫?dāng)壓縮量達(dá)到原高度的25%時(shí)，試件仍未發(fā)生破壞，試件到達(dá)屈服極限后，發(fā)生擠壓流動(dòng)和塑性變形，但并未出現(xiàn)“應(yīng)力發(fā)白”現(xiàn)象，這同石蠟-松香復(fù)合相變材料有較大的區(qū)別.總體而言，松香的摻入增強(qiáng)了復(fù)合相變材料的塑性.

3.3.2應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為石蠟-松香復(fù)合相變材料的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線.由圖5可得：(1)純石蠟的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從起始點(diǎn)至峰值點(diǎn)近似直線，峰后應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而快速減小，反映出典型的“彈脆”變形特征；(2)對(duì)于松香摻量為10%的石蠟松香復(fù)合相變材料，峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸彎曲，出現(xiàn)了塑性變形階段；峰后曲線下降較緩，且破壞形式由張拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾泵婕羟衅茐?，反映出松香的加入增加了?fù)合相變材料的塑性，使材料展現(xiàn)出明顯的彈塑性變形特征；(3)當(dāng)松香摻量為20%時(shí)，上升段曲線的曲率逐漸增大，變形速率隨應(yīng)力變化，展現(xiàn)出黏彈性，當(dāng)松香摻量為30%～70%時(shí)，上升段曲線大致呈“S型”，展現(xiàn)出塑-彈-塑的變形特征，且該特征隨松香摻量增加出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的趨勢(shì)，當(dāng)松香摻量大于70%時(shí)，曲線呈現(xiàn)“下凹型”，表現(xiàn)出彈塑性變形特征；(4)當(dāng)松香摻量小于50%時(shí)，峰后曲線下降，表明材料具有應(yīng)變軟化的性質(zhì)；當(dāng)松香摻量大于50%時(shí)，峰后曲線上抬，隨松香摻量增加其上升幅度增大，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征.

圖4 單軸壓縮下硬脂酸-松香復(fù)合相變材料屈服狀態(tài)Fig.4 Limit morphology of stearic acid-rosin composites under uniaxial compression

總體而言，隨著松香摻量的增加，石蠟-松香復(fù)合相變材料峰前曲線由“直線型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝型”再到“下凹型”，其塑性逐漸增強(qiáng)，屈服應(yīng)力逐漸增大；峰后曲線逐漸抬升，材料的特性由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)為應(yīng)變硬化.

圖5 石蠟-松香復(fù)合相變材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of paraffin-rosin composite phase transition materials

圖6為硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖6可以得出：(1)隨著松香摻量的增多，硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的峰值應(yīng)力逐漸增大；(2)當(dāng)松香摻量小于30%時(shí)，峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈“S”型，表現(xiàn)出“塑-彈-塑”的變形特征；隨著峰前曲線逐漸左移，表明材料剛度逐漸增大，松香摻量為10%時(shí)，峰后曲線下降較為迅速，這是由于材料破壞時(shí)縱向裂紋和斜向裂紋交織，端部材料塊狀剝落，卸荷較快所造成的；(3)當(dāng)松香摻量大于30%時(shí)，峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著松香摻量的增加總體上呈現(xiàn)出先左移后右移的規(guī)律，表明材料剛度隨松香摻量增加而先增大后減小，峰后曲線逐漸下降，體現(xiàn)了材料的應(yīng)變軟化特征，但隨著松香摻量的增加而趨于平緩，表明材料韌性隨松香摻量增加而提高；(4)松香摻量為90%的硬脂酸- 松香復(fù)合相變材料峰后曲線隨應(yīng)變?cè)黾佣饾u上升且較為平緩，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性和黏彈性變形特征.

圖6 硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of stearic acid-rosin composite phase transition materials

總體而言，隨著松香摻量的增加，硬脂酸-松香復(fù)合相變材料塑性逐漸增強(qiáng)，峰值應(yīng)力逐漸增大；材料剛度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，松香摻量為90%時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變硬化特征.

4 水下應(yīng)急堵漏試驗(yàn)

4.1 材料優(yōu)選

基于引言中介紹的應(yīng)急封堵方法，所需相變堵漏材料在滿足流動(dòng)性的同時(shí)應(yīng)盡可能具有較大的抗壓強(qiáng)度和較好的變形能力.根據(jù)本文流動(dòng)性試驗(yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)，選擇出松香摻量為20%的石蠟-松香復(fù)合相變材料和松香摻量為40%的硬脂酸-松香復(fù)合相變材料進(jìn)行室內(nèi)水下封堵試驗(yàn)，并與純石蠟的封堵效果進(jìn)行了對(duì)比分析.

4.2 水下封堵試驗(yàn)

使用純石蠟、石蠟-松香復(fù)合相變材料和硬脂酸-松香復(fù)合相變材料進(jìn)行如圖7所示的室內(nèi)水下滲漏應(yīng)急封堵試驗(yàn).滲水路徑為預(yù)制直徑8mm的圓孔通道，周圍介質(zhì)為砂土.試驗(yàn)選用電磁式加熱封堵裝置[21]，試驗(yàn)水溫為(25±1)℃，滲漏入水口處的水頭為0.2m.試驗(yàn)時(shí)首先向模型中注水，待達(dá)到預(yù)定水位時(shí)控制進(jìn)水流量使水位穩(wěn)定；然后施放水下加熱板至預(yù)定位置，啟動(dòng)感應(yīng)加熱控制器，直至封堵完成.

4.3 堵漏結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，硬脂酸-松香復(fù)合相變材料在水下熔化時(shí)大量氣化，而且用時(shí)很短，較難控制調(diào)整，故未能成功封堵.純石蠟和松香摻量為20%的石蠟-松香復(fù)合相變材料取得了較好的堵漏效果.從啟動(dòng)加熱控制器起開始計(jì)時(shí)，并監(jiān)測(cè)滲漏流量，得到滲漏流量與時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖8.以封堵材料流出監(jiān)測(cè)點(diǎn)并凝固作為封堵完成的判別標(biāo)準(zhǔn)，封堵完成后，關(guān)閉感應(yīng)加熱設(shè)備并收回堵漏裝置.由圖8可以得出：(1)純石蠟和松香摻量為20%的石蠟-松香復(fù)合相變材料均在設(shè)備啟動(dòng)后50s時(shí)，滲漏流量開始減小，展現(xiàn)出堵漏作用，說明此時(shí)已有相變材料熔化流入滲水通道并凝固；(2)從啟動(dòng)設(shè)備至封堵完成，純石蠟材料用時(shí)為200s，松香摻量為20%石蠟-松香復(fù)合相變材料封堵用時(shí)較純石蠟材料要短，約為120s；(3)封堵完成后，2類材料堵漏效果均較為明顯，滲漏流量明顯減小且趨于平穩(wěn)，但封堵完成后使用石蠟-松香復(fù)合相變材料堵漏比純石蠟堵漏的滲水流量更小，止水效果更好.

圖8 滲漏流量與時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between leakage flow and time

封堵完成后，挖開填土并原位收集封堵體，得到其形態(tài)如圖9所示.由圖9可見：純石蠟在滲水通道中的形態(tài)為碎裂的多段，每段約為5cm，且截面較小，內(nèi)部多有空隙、孔洞，部分為殼狀體，滲水通道中的石蠟同周圍土體結(jié)合不密實(shí)，四周泥漿充盈，這也是石蠟封堵后仍有渾濁泥水流出的主要原因；而石蠟-松香復(fù)合相變材料在滲水通道中則為1條連續(xù)的帶狀體，但其截面大小不一，內(nèi)部存在的孔洞同石蠟封堵體相比明顯減少.

圖9 封堵體形態(tài)Fig.9 Block body configuration

5 結(jié)論

(1)隨著松香摻量的增加，石蠟-松香復(fù)合相變材料的運(yùn)動(dòng)黏度大致呈指數(shù)函數(shù)的增長趨勢(shì)，硬脂酸-松香復(fù)合相變材料的運(yùn)動(dòng)黏度大致呈三次函數(shù)的增長趨勢(shì).

(2)松香的摻入使石蠟和硬脂酸由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕茐哪Ｊ接蓮埨茐霓D(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐脑俚剿苄宰冃?；隨著松香摻量的增加，復(fù)合相變材料屈服應(yīng)力逐漸增大，材料特性逐漸由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)為應(yīng)變硬化.

(3)在室內(nèi)水下滲漏應(yīng)急封堵試驗(yàn)中，純石蠟材料和石蠟-松香(松香摻量為20%)復(fù)合相變材料取得了較好的堵漏效果.石蠟-松香(松香摻量為20%)復(fù)合相變材料封堵用時(shí)更短，同周圍土體結(jié)合更為密實(shí)，止水效果更好.