何旭升，趙 波，張浦璽

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.水利部水工程建設與安全重點實驗室，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)

傳統混凝土面板堆石壩面板接縫表層止水結構中，防護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比試驗支持。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)所在的新疆喀什地區(qū)氣候狀況作為邊界條件，對三元乙丙橡膠蓋板、新型涂覆型聚脲蓋板以及起參照作用的天然橡膠蓋板，進行耐老化性能試驗，并據此進行了服役壽命的預測，作為工程應用的參考。

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，二是人工加速老化試驗。由于人工加速老化試驗方法可以在短時間內得到某種材料的老化表征數據，所以國內外普遍采用這種方法來評價材料的抗老化性能[2]。

新疆南疆地區(qū)區(qū)別于國內其他地區(qū)的最大特點就是日照充足，紫外線輻射強烈。氙弧燈的光譜非常接近于太陽光光譜，非常適合評價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止水材料進行老化性能研究，通過考察材料的拉伸應力應變評價其性能變化。

1 氙弧燈人工氣候老化壽命預測方法

氙弧燈老化試驗是一個復合老化試驗，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)境的試驗方法。氙弧燈氣候老化試驗通常是對不同材料的耐候性能進行對比評價，從而對選擇合適的材料給出建議。用其進行壽命預測是比較困難的，目前國內外沒有形成可參考的標準方法。通常是建立氙弧燈人工氣候老化試驗結果與當地自然暴露老化試驗結果的相關性，在此基礎上進行使用壽命預測。而且對于不同品種、不同配方的材料，兩種老化試驗的相關性沒有聯系，即對什么產品進行預測，都要首先針對此產品建立兩種老化試驗的相關性。

本研究首先比較3種材料的氙弧燈老化試驗結果，可以對3種材料的相對耐候性能有一個認識。在此基礎上，參考國內外高分子材料在自然和人工氣候條件下老化試驗的相關性研究成果，考慮到聚合物光化學降解反應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的相關性時，主要考慮試樣所接受的紫外光輻照能，建立試驗結果與實際應用環(huán)境下太陽紫外光輻照總量的聯系[3]，給出工程應用上的參考值。

近年來人們考慮到聚合物光化學降解反應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的相關性時，主要是考慮試樣所接受的紫外光輻照能。國內外一些學者進行了這方面的探索[5- 9]。

關于老化試驗材料性能與老化時間的關系，國內學者葉苑梣等提出斷裂伸長率與輻照量的關系式：

1-L/L0=Q0+KQ

(1)

式中，Q0、K—試驗常數；Q—老化紫外輻照量，MJ/m2。本實驗中采用這個關系式對加速老化的臨界老化時間進行預測。

另外一個問題是加速老化與自然氣候老化的對應關系，葉苑梣等通過氙弧燈老化試驗與自然老化試驗的對比，認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關系，其結論是材料達到相同老化性能時，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系。線性關系的具體形式與材料具體使用地區(qū)的輻照強度、溫度、降雨等有關。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0.5得到的相關關系為：

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值，在本試驗中借鑒式(2)作為加速老化紫外輻照量和自然老化輻照量折算關系，其結果作為光老化估算的基礎，探索由人工氣候老化試驗去預報戶外自然氣候老化試驗的時間。

2 氙弧燈老化試驗方法

2.1 設備

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

2.2 試驗方法

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，具體試驗參數：①黑板溫度：55℃；②相對濕度：60%～70%；③工作室溫度：40℃；④輻照強度：0～340nm強度0.46W/m2；⑤降雨周期：降雨18min，間隔干燥102min；⑥每組試樣數：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試樣性能劣化的影響深度，試驗中把疊合3層試樣進行照射試驗，比較不同層試樣的老化速度，試片每層厚度為2mm左右。

3 氙燈老化與壽命預測結果

3.1 工程環(huán)境氣候基礎數據

喀什地區(qū)地處氣候干燥、日照時間長，平均年太陽輻射總量約為5907MJ/m2(據氣象查詢結果)其中紫外光照射強度約占總輻射的5.6%(據《聚合物防老化使用手冊》)，因此實際年紫外光照射強度約為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，因此壩面上輻照強度約為192.3MJ/m2。下面分別對三元乙丙橡膠蓋板、天然橡膠蓋板和涂覆型聚脲蓋板的光老化性能進行試驗研究。

3.2 三元乙丙橡膠蓋板壽命預測

紫外光對橡膠材料性能的影響是很復雜的，綜合起來主要有2個相反的方向，一個是促使材料的降解，另一個是使材料交聯度增加，而且兩方面的影響可以同時起作用，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6mm)的強度數據可以看出，三元乙丙膠的強度隨輻照時間的變化不明顯或稍有增大的趨勢，可以說明在試驗周期內，氣候老化對三元乙丙橡膠的影響作用很復雜，可能是交聯多于降解，所以根據試驗結果很難由強度說明材料的使用壽命。而伸長率的變化卻是很明顯的，因為無論是交聯和降解都會使伸長率降低，而伸長率的降低是三元乙丙材料性能劣化的主要指標，也是影響其使用性能的主要指標。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據

圖1是三元乙丙膠在氙弧燈不同輻照時間條件下，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間對伸長率的影響

由圖1曲線可見，對于3層疊合的輻照試樣(每層2mm，3層合計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。由此可以認為光的輻照老化作用對第二層和第三層幾乎沒有影響，也就是說光輻照對三元乙丙蓋板的影響深處不超過2mm。

所以在這里只對第一層的三元乙丙老化數據進行使用壽命的預測研究。

(1)臨界老化時間預測

采用經驗公式(1)進行臨界老化時間預測，仍然取L/L0=0.25作為老化系數。表2是三元乙丙膠剩余伸長率與輻照時間的關系數據。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間回歸數據

圖2為剩余伸長與輻照時間的回歸關系曲線。

圖2 三元乙丙試樣1-L/L0～t回歸曲線

由回歸關系式：

1-L/L0=0.0786+0.0001t

(3)

及老化系數L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時間：

tc=6714h

本項目試驗設備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據氙弧燈老化箱的設備參數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)境使用壽命預測

按照式(2)可以折算出自然環(huán)境下材料達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際年紫外光照射強度約為192.3MJ/m2，可以得到預期的使用壽命約為：2520.4/192.3=13.1年。

3.3 天然橡膠蓋板壽命預測

表3是天然橡膠蓋板的氙弧燈老化數據。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據

圖3是天然橡膠蓋板氙弧燈不同輻照時間，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間對性能的影響

由圖3(a)中可以看出，天然橡膠試樣經過照射，第一層的強度下降很快，第二層與第三層的強度下降幅度有所不同，這一點與三元乙丙膠不同，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。

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

(1)氙弧燈加速老化的臨界老化時間預測

采用3.2中同樣的計算方法，取L/L0=0.25作為老化系數。表4是天然橡膠試樣剩余伸長率與輻照時間的關系數據。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間回歸數據

圖4為剩余伸長與輻照時間的回歸關系曲線。

圖4 天然橡膠試樣1-L/L0～t回歸曲線

由回歸關系式：

1-L/L0=2.2038+0.0002t

及老化系數L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時間：

tc=2731h

(2)自然環(huán)境使用壽命預測

本項目試驗設備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據氙弧燈老化箱的設備參數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)壩面實際年紫外光照射強度約為192.3MJ/m2，可以得到預期的使用壽命約為：1014.9/192.3=5.3年。

3.4 涂覆型聚脲蓋板壽命預測

表5是涂覆型聚脲蓋板的氙弧燈老化數據。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據

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

(1)氙弧燈加速老化的臨界老化時間預測

采用3.2中同樣的計算方法，取L/L0=0.25作為老化系數。表6是聚脲試樣剩余伸長率與輻照時間的關系數據。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間回歸數據

圖5為剩余伸長與輻照時間的回歸關系曲線。

圖5 聚脲蓋板試樣1-L/L0～t回歸曲線tc=5085h

由回歸關系式：

1-L/L0=0.08898+0.00013t

及老化系數L/L0=0.25得到氙弧燈加速老化的臨近老化時間：

(2)自然環(huán)境使用壽命預測

本項目試驗設備紫外光輻照度為50W/m2(300～400nm波長范圍)。

根據氙弧燈老化箱的設備參數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

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

4 關于防護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種材料的壽命預測結果見表7。

表7 3種蓋板(氙弧燈老化)工程預期壽命匯總表

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

工程應用中蓋板厚度一般要在4mm以上，此時的應用條件可以認為外層2mm受到光老化影響，其壽命可以按光老化結果預測；而內層材料(外層2mm以內的膠層)可以按熱氧老化或濕熱老化進行壽命預測。據中國水利水電科學研究院已有研究結論，在年均溫度12.3℃條件下，3種蓋板的內層材料壽命都在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內層材料(可理解為結構防水層)的影響，所以作為整體，蓋板的服役壽命應該可以超過40年。建議的蓋板厚度應在4mm以上。

5 結語

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

(1)材料斷裂伸長率與輻照量的關系采用了國內學者研究聚烯烴類材料的結論，可帶來一定誤差。

(2)室內氙燈試驗輻照量效果與實際輻照量之間的換算關系采用了廣東地區(qū)聚烯烴材料的研究結論，也存在一定誤差。如進行后續(xù)研究，應針對止水材料進行性能與輻照量關系的研究，并根據特定地區(qū)氣候、輻照特點，通過數據積累建立與室內輻照試驗的定量關系，可進一步提高結論的可靠性。