酸碱腐蚀性对地下结构防水卷材力学性能的影响.pdf
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1、Vol.22No.4July 2023第22卷第4期2023 年7月漯河职业技术学院学报Journal of Luohe Vocational and Technical College酸碱腐蚀性对地下结构防水卷材力学性能的影响周景深,刘建军,夏彪,宋亚科,刘恒(湖南高速铁路职业技术学院,湖南 衡阳 421001)doi:10.3969/j.issn.1671-7864.2023.04.005摘要:高分子聚合物及沥青橡胶类材料是地下结构中常用的防水材料,但因地下工程所在区域及环境不同,防水材料受地下水的酸碱腐蚀作用有很大的差异。例如海底、山区、溶洞等区域的地下工程面临的水影响较为明显。为了更好
2、地了解酸碱腐蚀性对卷材的影响程度,旨在为特殊区域的地下工程建设提供参考依据,本文采用试验方式对其进行研究分析。制备一系列不同浓度梯度的酸碱溶液,将按规范制备的很多试样分别在不同浓度的溶液中浸泡。静置一段时间后,分别对试样拉伸强度及伸长率进行检测,得到拉伸强度及伸长率两项指标与溶液浓度大小的变化关系,间接地反映酸碱腐蚀性对防水卷材抗渗性能的影响。关键词:防水卷材;酸碱腐蚀性;地下工程;力学性能中图分类号:TU761.1;TU93文献标志码:A文章编号:1671-7864(2023)04-0023-05伴随着地下空间工程开发不断加强,如何有效防水成为地下结构工程面临的重要挑战,尤其是处于腐蚀性环境
3、中的地下隧道、矿洞等工程1。尽管目前地下结构工程建设水平已经取得了长足进步,但因这些工程具有隐蔽在地下的特性,导致渗漏水后维修非常困难,具有腐蚀性的渗漏水能导致混凝土结构开裂、疏松、剥落,受力钢筋锈蚀等问题,从而降低地下混凝土结构的承载能力,引起地下结构的安全性和稳定性降低,严重的甚至会造成结构失稳而发生事故2。针对地下结构防水施工的研究,国内外学者做了大量工作3,在工程材料选择、施工工艺等方面都提出过有实践价值的重要观点,但对腐蚀性环境下橡胶类防水卷材的性能及其表现却鲜有深入研究。本文通过试验方法对比分析不同酸碱腐蚀程度下沥青橡胶防水卷材的力学性能,旨在为腐蚀性环境中地下结构工程防水施工提供
4、参考依据。1酸碱性溶液对防水材料的腐蚀机理学者杨其新等人对深层地下结构防渗喷膜材料的性能表现进行了研究4,分析了该材料在酸性、中性、碱性水环境下的力学特征及损伤机理,并采用先进的CT扫描设备进行电镜扫描,获得该材料在碱溶液、氯化钠溶液、硫酸盐溶液三种不同介质中浸泡后的试验图像。试验结果表明,喷膜材料内部空隙数量、空隙率及孔隙率大小都会影响防水材料的力学性能及防水表现 5;防水材料的边缘,在腐蚀性环境作用下,其颜色及防水性能首先发生变化,内部孔隙率因溶液的腐蚀性作用而变大或连通,在宏观上材料表现为变松软易变形或者变硬而失去韧性。王庆国 6 等人同样将防水材料置于腐蚀性环境中经过一段时间后进行扫描
5、成像分析,其分析结果也充分验证了在腐蚀性液体作用下喷膜防水材料孔隙被腐蚀液体填充,材料表面变得粗糙不平整。材料孔隙率多少及孔隙连通结构直接与力学性能有关7,孔隙率大且连通孔隙多,就会造成材料结构强度变低。研究表明,在使用寿命周期内,防水卷材的抗渗能力与其力学性能呈正相关8。酸碱腐蚀性环境对防水卷材抗渗能力的影响可以通过检测其力学性能的变化进行分析。因此,在分析酸碱性环境对橡胶类防水卷材及其他高分子聚合物防水材料的影响时,可以采用间接研究酸性溶液及碱性溶液对材料力学性能的影响等方式来实现9。收稿日期:2023-05-06基金项目:湖南省自然科学基金项目“深层地下装配式结构防水研究以地铁站房为例”
6、(2021JJ60026)作者简介:周景深(1984),男,山东滨州人,湖南高速铁路职业技术学院副教授,硕士,研究方向:结构设计、装配式结构施工。漯河职业技术学院学报2023年2试验设置实验过程中,制备不同浓度梯度的酸碱溶液,模拟地下工程防水卷材所处的水环境。选取目前工程中广泛使用的三元乙丙橡胶防水卷材作为试验材料(以下简称防水卷材)10,根据应力应变性能测试试验规范11,在试验过程中制备试样6组,其中酸性环境下试样3组,碱性环境下试样3组,每组试样个数根据酸碱溶液设置梯度准备,酸性腐蚀环境下每组试样共9块,碱性腐蚀环境每组试样共6块。此处采用硫酸溶液制备不同质量浓度(15%、25%、35%、
7、45%、55%、65%、75%、85%、95%)的酸性环境,不同浓度酸性溶液的编号及浓度如表 1 所示。碱性腐蚀环境以不同浓度(10%、20%、30%、40%、50%)的氢氧化钠溶液进行制备,其编号及浓度如表2所示。分别进行3次酸性溶液腐蚀平行试验和3次碱性溶液腐蚀平行试验。为避免温度变化过大对结果产生较大影响12,所有平行检测试验全过程温度控制在203,试样浸泡时间设置为6个月。试样浸泡结束后从溶液中取出,表面擦拭干净,按试验分组分类摆放。抗拉强度检测设备采用实验室现有的美特斯万能试验机(见图1),可以检测防水卷材的抗拉强度及伸长率。3结果记录所有试样在恒温条件下浸泡6个月后,首先做第一组不
8、同浓度梯度硫酸溶液浸泡的9个试样,按照试验操作规范对防水卷材进行拉伸强度及伸长率试验13。拉伸试验操作中,万能试验机加载速度控制在8 mm/s14,连续拉伸直至试样断裂15,万能试验机自动读取该试样检测的拉伸强度值及伸长率值;然后依次做其他浓度梯度的8个试样检测,分别得到该组其余8个试样所检测的拉伸强度值及伸长率值;汇总记录第一组试样在不同硫酸浓度下的9个拉伸强度值与伸长率值。依次取第二组、第三组试样分别进行平行试验,记录三组平行试验的监测结果。酸性腐蚀环境下三组试样的检测结果如表3所示(a-拉伸强度/MPa,b-伸长率/%)。其余三组在碱性腐蚀环境下的试样按照规程进行三次平时试验,每组试样个
9、数为6,每组分别得到6个不同碱性腐蚀环境下的拉伸强度及伸长率,然后取三组试验的拉伸强度及伸长率平均值,结果如表4所示(a-拉伸强度/MPa,b-伸长率/%)。4结果分析在试验过程中,温度恒定、浸泡时间一致,唯有酸性及碱性环境的浓度不同,因此结果的差异基本是由酸碱环境不同及浓度大小引起的,为了避免试验数据的波动性过大而影响分析结果的准确性,酸碱腐蚀环境下各进行3次平行试验。首先分析酸性溶液浸泡后试样拉伸强度随溶液浓度变化的关系。根据表3试验结果,绘制酸性溶液浸泡后各组试样拉伸强度与浓度变化的关系曲线,如图2所示。其次,分析酸性溶液浸泡后各组试样伸长率随溶液浓度变化的趋势,如图3所示。表1不同浓度
10、酸性溶液溶液编号H1H2H3H4H5H6H7H8H9浓度(%)152535455565758595密度(g/cm3)1.101.181.261.341.441.551.671.781.83表2不同浓度碱性溶液溶液编号OH1OH2OH3OH4OH5OH6浓度(%)11020304050密度(g/cm3)1.011.111.221.321.431.53图1电子万能试验机24第4期周景深,等:酸碱腐蚀性对地下结构防水卷材力学性能的影响关系曲线图2、图3表明,试样随着酸性溶液浓度的加大,其拉伸强度也会发生相应的变化,溶液浓度越大,其拉伸强度值越低,整体呈现反向下降趋势。溶液浓度小于35%时,所浸泡试样
11、拉伸强度检测值有稍微上升的波动区间,在溶液浓度为45%以下时,拉伸强度降低较缓慢,但浓度超过55%后,试样拉伸强度降低幅度较大。根据试验结果分析碱性环境下试样拉伸强度与伸长率随溶液浓度变化的关系。根据表4试验结果绘制碱性溶液浸泡后各试样拉伸强度与浸泡溶液浓度变化的关系曲线,如图4所示。在该曲线图中,拉伸强度变化整体趋势比较平缓。在碱性溶液浓度大于40%后,其抗拉强度及伸长率变化较为明显。在图5中,为了更好地显示关系曲线变化的规律性,拉伸强度纵轴刻度值间距设置较小。根据表4结果显示,各组试样伸长率随碱性溶液浓度的变化基本一致,溶液浓度较低时,伸长率变化不明显,曲线基本呈现平直状态;浓度大于40%
12、后,曲线下降迅速,变化明显,如图5所示。在酸性与碱性腐蚀性环境下,均在试验溶液浓度最大时,对试样拉伸强度及伸长率值影响最大。在硫酸溶液浸泡的试样检测结果中,当硫酸溶液浓度达到95%时,防水卷材拉伸强度达到最低值,但防表3不同浓度酸性溶液浸泡试样检测结果酸性溶液编号H1H2H3H4H5H6H7H8H9一组试验a3.4233.4863.4173.2803.1173.1062.8912.4051.874b113.093112.267108.26197.35491.21082.31771.06553.73034.013二组试验a3.3023.3193.2723.2102.9452.9912.6452.
13、3471.885b107.256108.350109.164101.53590.02780.36072.14356.26040.364三组试验a3.4353.4603.3023.1073.1842.9932.4072.4021.971b121.816109.237104.812104.65392.03383.01070.24153.27632.832均值a3.3963.4223.3303.1993.0823.0302.6482.3851.910b114.055109.951107.446101.18191.09081.89671.15054.42235.736表4不同浓度碱性溶液浸泡试样检测结
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