何旭升，趙 波，張浦璽

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100000；3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩面板接縫表層止水結(jié)構(gòu)中，防護(hù)蓋板的材料多采用三元乙丙橡膠板，用由扁鋼和螺栓組成的錨固體系安裝固定，由中國水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的新型涂覆型蓋板采用聚脲涂覆成膜，取消了錨固體系，表面光滑平整、無接縫，整體性更好[1]，但其耐老化性能尚缺乏對(duì)比試驗(yàn)支持。本文以阿爾塔什大壩(新疆克州阿克陶縣庫斯拉甫鄉(xiāng)境內(nèi))所在的新疆喀什地區(qū)氣候狀況作為邊界條件，對(duì)三元乙丙橡膠蓋板、新型涂覆型聚脲蓋板以及起參照作用的天然橡膠蓋板，進(jìn)行耐老化性能試驗(yàn)，并據(jù)此進(jìn)行了服役壽命的預(yù)測，作為工程應(yīng)用的參考。

目前材料的老化研究主要有兩類方法，一是自然環(huán)境老化試驗(yàn)，二是人工加速老化試驗(yàn)。由于人工加速老化試驗(yàn)方法可以在短時(shí)間內(nèi)得到某種材料的老化表征數(shù)據(jù)，所以國內(nèi)外普遍采用這種方法來評(píng)價(jià)材料的抗老化性能[2]。

新疆南疆地區(qū)區(qū)別于國內(nèi)其他地區(qū)的最大特點(diǎn)就是日照充足，紫外線輻射強(qiáng)烈。氙弧燈的光譜非常接近于太陽光光譜，非常適合評(píng)價(jià)材料在自然條件下的耐光照老化性能，本文采用氙弧燈人工氣候老化法對(duì)止水材料進(jìn)行老化性能研究，通過考察材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變評(píng)價(jià)其性能變化。

1 氙弧燈人工氣候老化壽命預(yù)測方法

氙弧燈老化試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)合老化試驗(yàn)，包括光、熱、空氣、濕度和降雨等老化因素，是模擬自然老化環(huán)境的試驗(yàn)方法。氙弧燈氣候老化試驗(yàn)通常是對(duì)不同材料的耐候性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，從而對(duì)選擇合適的材料給出建議。用其進(jìn)行壽命預(yù)測是比較困難的，目前國內(nèi)外沒有形成可參考的標(biāo)準(zhǔn)方法。通常是建立氙弧燈人工氣候老化試驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)?shù)刈匀槐┞独匣囼?yàn)結(jié)果的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行使用壽命預(yù)測。而且對(duì)于不同品種、不同配方的材料，兩種老化試驗(yàn)的相關(guān)性沒有聯(lián)系，即對(duì)什么產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測，都要首先針對(duì)此產(chǎn)品建立兩種老化試驗(yàn)的相關(guān)性。

本研究首先比較3種材料的氙弧燈老化試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)3種材料的相對(duì)耐候性能有一個(gè)認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外高分子材料在自然和人工氣候條件下老化試驗(yàn)的相關(guān)性研究成果，考慮到聚合物光化學(xué)降解反應(yīng)主要由太陽光中的紫外光引起的，在研究材料在自然和人工氣候條件下老化試驗(yàn)的相關(guān)性時(shí)，主要考慮試樣所接受的紫外光輻照能，建立試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下太陽紫外光輻照總量的聯(lián)系[3]，給出工程應(yīng)用上的參考值。

近年來人們考慮到聚合物光化學(xué)降解反應(yīng)主要由太陽光中的紫外光引起的，在研究材料在自然和人工氣候條件下老化試驗(yàn)的相關(guān)性時(shí)，主要是考慮試樣所接受的紫外光輻照能。國內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索[5- 9]。

關(guān)于老化試驗(yàn)材料性能與老化時(shí)間的關(guān)系，國內(nèi)學(xué)者葉苑梣等提出斷裂伸長率與輻照量的關(guān)系式：

1-L/L0=Q0+KQ

(1)

式中，Q0、K—試驗(yàn)常數(shù)；Q—老化紫外輻照量，MJ/m2。本實(shí)驗(yàn)中采用這個(gè)關(guān)系式對(duì)加速老化的臨界老化時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。

另外一個(gè)問題是加速老化與自然氣候老化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，葉苑梣等通過氙弧燈老化試驗(yàn)與自然老化試驗(yàn)的對(duì)比，認(rèn)為可以通過試樣接受的紫外光(300～400nm)輻照能量建立加速老化與自然老化的相關(guān)關(guān)系，其結(jié)論是材料達(dá)到相同老化性能時(shí)，自然老化的紫外輻照能量與加速老化紫外輻照能量有線性關(guān)系。線性關(guān)系的具體形式與材料具體使用地區(qū)的輻照強(qiáng)度、溫度、降雨等有關(guān)。葉苑梣等建立了聚烯烴材料廣州地區(qū)(年平均氣溫22.1℃)的、以老化系數(shù)0.5得到的相關(guān)關(guān)系為：

Qn=-17.5+2.1Qa

(2)

式中，Qn—自然老化紫外輻照量，MJ/m2；Qa—加速老化紫外輻照量，MJ/m2。

由于沒有和田地區(qū)材料自然老化的試驗(yàn)值，在本試驗(yàn)中借鑒式(2)作為加速老化紫外輻照量和自然老化輻照量折算關(guān)系，其結(jié)果作為光老化估算的基礎(chǔ)，探索由人工氣候老化試驗(yàn)去預(yù)報(bào)戶外自然氣候老化試驗(yàn)的時(shí)間。

2 氙弧燈老化試驗(yàn)方法

2.1 設(shè)備

LHS-XⅡ- 65型氙弧燈人工氣候老化試驗(yàn)箱；長弧水冷氙燈；硼硅玻璃濾光罩。

2.2 試驗(yàn)方法

采用GB/T 3511—2008/ISO 4665：1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐候性》中規(guī)定的氙燈人工氣候老化暴露方法，具體試驗(yàn)參數(shù)：①黑板溫度：55℃；②相對(duì)濕度：60%～70%；③工作室溫度：40℃；④輻照強(qiáng)度：0～340nm強(qiáng)度0.46W/m2；⑤降雨周期：降雨18min，間隔干燥102min；⑥每組試樣數(shù)：GB/T 528—2008規(guī)定的Ⅰ型啞鈴型試樣，5片為1組。為了考察氙弧燈老化對(duì)試樣性能劣化的影響深度，試驗(yàn)中把疊合3層試樣進(jìn)行照射試驗(yàn)，比較不同層試樣的老化速度，試片每層厚度為2mm左右。

3 氙燈老化與壽命預(yù)測結(jié)果

3.1 工程環(huán)境氣候基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

喀什地區(qū)地處氣候干燥、日照時(shí)間長，平均年太陽輻射總量約為5907MJ/m2(據(jù)氣象查詢結(jié)果)其中紫外光照射強(qiáng)度約占總輻射的5.6%(據(jù)《聚合物防老化使用手冊》)，因此實(shí)際年紫外光照射強(qiáng)度約為330.8MJ/m2。氣象觀測的輻照量是水平太陽輻照總量，而實(shí)際壩面接受的是1.4坡比(常規(guī)混凝土面板堆石壩迎水面面板坡度)斜面的輻射量，因此壩面上輻照強(qiáng)度約為192.3MJ/m2。下面分別對(duì)三元乙丙橡膠蓋板、天然橡膠蓋板和涂覆型聚脲蓋板的光老化性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.2 三元乙丙橡膠蓋板壽命預(yù)測

紫外光對(duì)橡膠材料性能的影響是很復(fù)雜的，綜合起來主要有2個(gè)相反的方向，一個(gè)是促使材料的降解，另一個(gè)是使材料交聯(lián)度增加，而且兩方面的影響可以同時(shí)起作用，不同階段影響的程度不同。從表1中分層三元乙丙膠板(每層2mm，3層合計(jì)6mm)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，三元乙丙膠的強(qiáng)度隨輻照時(shí)間的變化不明顯或稍有增大的趨勢，可以說明在試驗(yàn)周期內(nèi)，氣候老化對(duì)三元乙丙橡膠的影響作用很復(fù)雜，可能是交聯(lián)多于降解，所以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果很難由強(qiáng)度說明材料的使用壽命。而伸長率的變化卻是很明顯的，因?yàn)闊o論是交聯(lián)和降解都會(huì)使伸長率降低，而伸長率的降低是三元乙丙材料性能劣化的主要指標(biāo)，也是影響其使用性能的主要指標(biāo)。由此，以伸長率來考察三元乙丙的使用性能和壽命是合理的。

表1 三元乙丙試樣氙弧燈老化數(shù)據(jù)

圖1是三元乙丙膠在氙弧燈不同輻照時(shí)間條件下，不同膠層的斷裂伸長率的變化情況。

圖1 不同層三元乙丙試樣輻照時(shí)間對(duì)伸長率的影響

由圖1曲線可見，對(duì)于3層疊合的輻照試樣(每層2mm，3層合計(jì)6mm)，第二層和第三層的伸長率變化程度沒有有明顯差異，而第一層的變化與其他兩層有顯著的不同。由此可以認(rèn)為光的輻照老化作用對(duì)第二層和第三層幾乎沒有影響，也就是說光輻照對(duì)三元乙丙蓋板的影響深處不超過2mm。

所以在這里只對(duì)第一層的三元乙丙老化數(shù)據(jù)進(jìn)行使用壽命的預(yù)測研究。

(1)臨界老化時(shí)間預(yù)測

采用經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行臨界老化時(shí)間預(yù)測，仍然取L/L0=0.25作為老化系數(shù)。表2是三元乙丙膠剩余伸長率與輻照時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中L0=538%是未輻照試樣的伸長率。

表2 三元乙丙剩余伸長與輻照時(shí)間回歸數(shù)據(jù)

圖2為剩余伸長與輻照時(shí)間的回歸關(guān)系曲線。

圖2 三元乙丙試樣1-L/L0～t回歸曲線

由回歸關(guān)系式：

1-L/L0=0.0786+0.0001t

(3)

及老化系數(shù)L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時(shí)間：

tc=6714h

本項(xiàng)目試驗(yàn)設(shè)備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據(jù)氙弧燈老化箱的設(shè)備參數(shù)可以換算試樣收到的紫外光的輻照量為：

Qa=50×3600×6714=1208.5MJ/m2

(2)自然環(huán)境使用壽命預(yù)測

按照式(2)可以折算出自然環(huán)境下材料達(dá)到臨近老化的紫外光輻照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=2520.4MJ/m2

按和田玉龍喀什水利樞紐壩面實(shí)際年紫外光照射強(qiáng)度約為192.3MJ/m2，可以得到預(yù)期的使用壽命約為：2520.4/192.3=13.1年。

3.3 天然橡膠蓋板壽命預(yù)測

表3是天然橡膠蓋板的氙弧燈老化數(shù)據(jù)。全部老化試樣表面光滑沒有裂紋。

表3 天然橡膠試樣氙弧燈老化數(shù)據(jù)

圖3是天然橡膠蓋板氙弧燈不同輻照時(shí)間，不同膠層的斷裂伸長率的變化情況。

圖3 不同層天然橡膠試樣輻照時(shí)間對(duì)性能的影響

由圖3(a)中可以看出，天然橡膠試樣經(jīng)過照射，第一層的強(qiáng)度下降很快，第二層與第三層的強(qiáng)度下降幅度有所不同，這一點(diǎn)與三元乙丙膠不同，說明止水帶在輻照過程中第二層也受到了影響，圖3(b)中也可以印證這一點(diǎn)。

天然橡膠蓋板在應(yīng)用中不會(huì)直接暴露在陽光下，所以其耐光照性能并不是工程應(yīng)用很關(guān)心的問題，在這里對(duì)其第一層進(jìn)行研究，目的是與三元乙丙蓋板和涂覆型蓋板做一對(duì)比。分析中仍然采用伸長率作為考察指標(biāo)，老化系數(shù)仍采用0.25。

(1)氙弧燈加速老化的臨界老化時(shí)間預(yù)測

采用3.2中同樣的計(jì)算方法，取L/L0=0.25作為老化系數(shù)。表4是天然橡膠試樣剩余伸長率與輻照時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中L0=410%是未輻照試樣的伸長率。

表4 天然橡膠試樣剩余伸長與輻照時(shí)間回歸數(shù)據(jù)

圖4為剩余伸長與輻照時(shí)間的回歸關(guān)系曲線。

圖4 天然橡膠試樣1-L/L0～t回歸曲線

由回歸關(guān)系式：

1-L/L0=2.2038+0.0002t

及老化系數(shù)L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時(shí)間：

tc=2731h

(2)自然環(huán)境使用壽命預(yù)測

本項(xiàng)目試驗(yàn)設(shè)備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據(jù)氙弧燈老化箱的設(shè)備參數(shù)可以換算試樣收到的紫外光的輻照量為：

Qa=50×3600×2731=491.6MJ/m2

按照式(2)可以折算出自然環(huán)境下材料達(dá)到臨近老化的紫外光輻照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=1014.9MJ/m2

按新疆喀什地區(qū)壩面實(shí)際年紫外光照射強(qiáng)度約為192.3MJ/m2，可以得到預(yù)期的使用壽命約為：1014.9/192.3=5.3年。

3.4 涂覆型聚脲蓋板壽命預(yù)測

表5是涂覆型聚脲蓋板的氙弧燈老化數(shù)據(jù)。全部老化試樣表面光滑沒有裂紋。

表5 涂覆型聚脲蓋板試樣氙弧燈老化數(shù)據(jù)

聚脲蓋板在應(yīng)用中直接暴露在陽光下，所以其耐光照性能是工程應(yīng)用很關(guān)心的問題，本部分分析中仍然采用伸長率作為考察指標(biāo)，老化系數(shù)仍采用0.25。

(1)氙弧燈加速老化的臨界老化時(shí)間預(yù)測

采用3.2中同樣的計(jì)算方法，取L/L0=0.25作為老化系數(shù)。表6是聚脲試樣剩余伸長率與輻照時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)。其中L0=456%是未輻照試樣的伸長率。

表6 聚脲蓋板試樣剩余伸長與輻照時(shí)間回歸數(shù)據(jù)

圖5為剩余伸長與輻照時(shí)間的回歸關(guān)系曲線。

圖5 聚脲蓋板試樣1-L/L0～t回歸曲線tc=5085h

由回歸關(guān)系式：

1-L/L0=0.08898+0.00013t

及老化系數(shù)L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時(shí)間：

(2)自然環(huán)境使用壽命預(yù)測

本項(xiàng)目試驗(yàn)設(shè)備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據(jù)氙弧燈老化箱的設(shè)備參數(shù)可以換算試樣收到的紫外光的輻照量為：

Qa=50×3600×5085=915.3MJ/m2

按照式(2)可以折算出自然環(huán)境下材料達(dá)到臨近老化的紫外光輻照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=1904.6MJ/m2

按工程所在地實(shí)際年紫外光照射強(qiáng)度為192.3MJ/m2，可以得到涂覆型聚脲蓋板預(yù)期的使用壽命約為：1904.6/192.3=9.9年。

4 關(guān)于防護(hù)材料使用壽命的討論

三元乙丙橡膠蓋板、天然橡膠蓋板和及涂覆型聚脲蓋板3種材料的壽命預(yù)測結(jié)果見表7。

表7 3種蓋板(氙弧燈老化)工程預(yù)期壽命匯總表

氙弧燈加速氣候老化是一個(gè)綜合因素的老化模擬過程，包括光、濕氣、溫度、降雨等，所以可以應(yīng)用于水上和水位變化區(qū)部分。表中氙燈老化壽命預(yù)測是基于2mm試驗(yàn)試件而言，而實(shí)際應(yīng)用中蓋板的厚度一般要超過2mm。由多層試樣氙燈老化試驗(yàn)可以看出，氙燈光老化對(duì)第一層2mm試樣的影響比較大，而對(duì)第二層、第三層影響比較小，也就是2mm以下材料的性能降低可以認(rèn)為是熱老化或濕熱老化的結(jié)果。

工程應(yīng)用中蓋板厚度一般要在4mm以上，此時(shí)的應(yīng)用條件可以認(rèn)為外層2mm受到光老化影響，其壽命可以按光老化結(jié)果預(yù)測；而內(nèi)層材料(外層2mm以內(nèi)的膠層)可以按熱氧老化或濕熱老化進(jìn)行壽命預(yù)測。據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院已有研究結(jié)論，在年均溫度12.3℃條件下，3種蓋板的內(nèi)層材料壽命都在40年以上[10]。所以整體上來看，蓋板外層2mm材料性能雖然降低，但仍能阻止光老化對(duì)內(nèi)層材料(可理解為結(jié)構(gòu)防水層)的影響，所以作為整體，蓋板的服役壽命應(yīng)該可以超過40年。建議的蓋板厚度應(yīng)在4mm以上。

5 結(jié)語

聚合物材料有優(yōu)異的力學(xué)和防水、止水性能，在大壩止水中應(yīng)用普遍，但其長期耐候性一直是工程界關(guān)心的問題。本文以阿爾塔什大壩所處條件為基礎(chǔ)，以氙燈輻照試驗(yàn)方法探討了3種常用蓋板材料的老化及壽命預(yù)測，為工程提供一個(gè)材料選擇、工程維護(hù)的參考數(shù)據(jù)。老化壽命研究需要大量的數(shù)據(jù)積累，由于本課題研究時(shí)間相對(duì)較短，存在以下不足之處。

(1)材料斷裂伸長率與輻照量的關(guān)系采用了國內(nèi)學(xué)者研究聚烯烴類材料的結(jié)論，可帶來一定誤差。

(2)室內(nèi)氙燈試驗(yàn)輻照量效果與實(shí)際輻照量之間的換算關(guān)系采用了廣東地區(qū)聚烯烴材料的研究結(jié)論，也存在一定誤差。如進(jìn)行后續(xù)研究，應(yīng)針對(duì)止水材料進(jìn)行性能與輻照量關(guān)系的研究，并根據(jù)特定地區(qū)氣候、輻照特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)積累建立與室內(nèi)輻照試驗(yàn)的定量關(guān)系，可進(jìn)一步提高結(jié)論的可靠性。