复合相变材料性能调配及在应急堵漏中的应用

2021-01-08张盛行王玉磊

建筑材料学报 2020年6期

张盛行，汤雷，贾宇，2，王玉磊，2

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029；2.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

堤坝渗漏险情的抢护一直是水利工程应急抢险工作中的关键任务[1-2].当前的堵漏措施主要有土工合成材料覆盖截渗、前戗培坡、嵌缝止水等[3-4]，这些方法多年来一直用于实际工程，也取得了相应效果.但上述方法大多在渗水入口表面进行封堵，对坝体内部的渗水路径填补效果甚微，而且距离水位面较深处裂缝的修复较难展开，造成修复效率不高.鉴于此，针对极端条件下堤坝水下渗漏病害，提出了“水下熔化相变材料应急封堵渗漏通道”的方法：通过水下熔化相变材料，使其在渗漏入口处流场的作用下，以熔融状态被吸入渗漏通道；在渗漏通道中，由于脱离热源，相变材料又逐渐凝为固态，从而堵塞渗水路径，达到应急封堵的目的.目前已在室内和现场试验中验证了该方法的可行性，同时也发现此方法对相变堵漏材料的选用有较为苛刻的要求：(1)密度与水接近，因为相变材料的熔化过程均处于水下环境，密度过大(过小)会引起材料的下沉(上浮)，导致材料散失；(2)比热容适宜，保证在动水这一热量散失较为迅速的环境中短时间内将其熔为液态，在渗水通道中又能凝为固态；(3)抗渗性能好，能满足应急抢险要求；(4)环保，从生态角度出发，要求材料无毒、无污染.

通过前期试验，石蜡、松香、硬脂酸3种相变材料均满足了上述要求，取得了良好的堵漏效果，也展现出了各自特点:石蜡性质稳定，流动性好，熔点适宜，但强度低，固液转化后体积变化大；硬脂酸液固转化后体积变化小，熔点适宜，流动性极好，但凝固速率过快，堵漏长度较短；松香硬度较大，堵漏密实性好，但流动性差，加热易气化，材质偏脆.

因此，为规避材料各自缺陷，使堵漏效果更佳，本文基于上述3种材料，进行了复合相变材料配置，开展流动性试验和单轴压缩试验，以选取出较为适宜的配合比，提升堵漏性能.

1 试验材料

1.1 石蜡

石蜡是从重质柴油馏分和润滑油馏分中(350～500℃)分离出来的固体烃[5].广泛应用于化工、食品和医疗等行业.在土木工程领域，常作为复合材料用于相变储能材料及相似材料的研究中[6-9]，如相变储能混凝土和固液耦合相似材料等.此外，在GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中将石蜡作为混凝土、水泥砂浆抗渗试验的封模材料，可见其抗渗性能较好.试验所用石蜡为大庆昆仑58#全精炼石蜡，其相关物理参数见表1.

1.2 松香

松香是松树分泌的黏稠液体经蒸馏而得到的一种天然树脂，主要成分为树脂酸，其颜色由微黄色至棕红色[10].松香的黏性好，但内聚力差，耐老化性不佳，易粉化[11-12].在土木工程中，松香多用于岩石相似材料的研究[13-14].本文试验所用松香产自广西马尾松，其相关物理参数见表1.

1.3 硬脂酸

硬脂酸是自然界广泛存在的一种脂肪酸，被用于制备塑料耐寒增塑剂、橡胶硫化促进剂等[15].常用于工业领域中PVC塑料的制造[16].本试验所用硬脂酸为双马橡塑级硬脂酸[17],其相关物理参数见表1.

表1 相变材料相关物理参数

2 流动性测试

2.1 试验过程

参照GB/T 1723—1993《涂料粘度测定法》等规范，使用LND -1涂-4黏度计测定(105±5)℃熔融状态下的复合相变材料，以表征不同配比下复合相变材料熔融状态的流动性变化趋势.配置不同质量比的石蜡-松香和硬脂酸-松香复合相变材料(分别记作P-R和S-R)进行测试.试验过程如下：

(1)预热黏度计.使黏度计与液态相变材料温度接近，减少热交换，保证试验精度.

(2)调整黏度计处于水平位置.

(3)将配置好的熔融状态相变材料倒满黏度计，并刮平黏度计表面.

(4)打开节流阀，同时启动秒表，记录流束中断时秒表读数t.

(5)按上述步骤每种配比的材料测试3次，3次测定值之差应不大于平均值的3%，结果取平均值.

2.2 试验结果及分析

黏度计测得的是杯中液体流完所需的时间t.根据式(1)、(2)将试样流出的时间换算成运动黏度γ，根据计算结果绘制松香掺量wR与复合相变材料运动黏度γ的关系曲线，如图1所示.

图1 松香掺量与复合相变材料运动黏度的关系曲线Fig.1 Relation curves between rosin content and viscosity of composite phase transition materials

(1)

ts=kt

(2)

式中：ts为标准流出时间，s；k为黏度计修正系数.

由图1可知，随着松香掺量wR的增加，石蜡-松香复合相变材料的运动黏度呈现指数函数增长趋势，硬脂酸-松香复合相变材料运动黏度呈现三次函数的增长趋势.综合来看，松香掺量的增加对2类复合相变材料运动黏度的影响既有相似性，又各有不同.其相似性在于，松香掺量的增加对复合相变材料运动黏度的影响大致可分为3个阶段：掺量较小时的平稳阶段，稳步增加的中间阶段和快速增长阶段.当松香掺量为80%时，2类复合相变材料的运动黏度增长速率最大.其不同之处在于：松香的掺入对石蜡-松香复合相变材料运动黏度的影响较为平缓，3个阶段的运动黏度增长率变化区间较小；而对硬脂酸-松香复合相变材料的影响前期不太明显，后期运动黏度陡升却较为迅速.对于石蜡-松香复合相变材料，当松香掺量小于20%时，其运动黏度变化较小；而对于硬脂酸-松香复合相变材料，当松香掺量为40%时，对运动黏度的影响仍然不大.究其原因，前期运动黏度变化较为缓慢，是由于石蜡和硬脂酸对运动黏度的影响占据主导地位，而且硬脂酸对松香更具“稀释”作用，使得松香掺量较多时复合相变材料运动黏度并没有出现较为明显的增长.后期运动黏度快速增加是由于松香掺量的提高使其对运动黏度的影响占据主导地位，因而材料熔融状态下的黏稠性较为明显.

3 单轴压缩试验

3.1 试件制备

参照岩石力学性能测试方法，制备直径5cm，高10cm的不同配比复合相变材料圆柱体试件进行单轴压缩试验.纯松香做出的试件极易脆裂、剥落，难以成形，故未制备纯松香试样.为解决固液转化后体积变化大，难以成形标准试件的问题，通过定制加高纸模具，采用一次成型法制备试件，待试件凝固后再将凹坑端头割去，并将端头打磨平整，制成标准试件.经验证，使用该方法制备出的试件整体性较好，满足试验要求，具体制备步骤如图2.

图2 试件制备流程Fig.2 Preparation flow chart of specimens

3.2 试验过程

参照DZ/T 0276.20—2015《岩石物理力学性质试验规程》对相变材料开展单轴压缩试验.试验在由南京运达科工贸公司定制的液压伺服试验机上进行，采用单一速率加载.采集数据包括：使用压力传感器采集荷载值P，使用位移计采集材料压缩量S.荷载采用连续采集模式，每隔0.1s记录1次数据.

3.3 试验结果分析

3.3.1屈服状态

单轴压缩下石蜡-松香复合相变材料的屈服状态如图3所示.由图3可得：纯石蜡试件以劈裂张拉破坏为主，破坏裂隙基本平行于试样轴线，表现出典型的脆性破坏特征，这同文献[18]指出的纯石蜡破坏形式一致；当松香掺量为10%时，石蜡-松香复合相变材料表现出典型的剪切破坏特征，破坏裂隙与试件轴线呈斜交形态，破坏裂面为规则破坏斜面；其他配比下的石蜡-松香复合相变材料未能测得最终屈服状态，因为试件到达屈服极限后，发生挤压流动和塑性变形，当压缩量达到总高度的25%时，仍未产生裂隙，但“应力发白”现象较为明显，“银纹”与轴线夹角大致为45°.银纹为聚合物所特有[19-20]，其密度为本体密度的50%，在张应力作用下，材料某些薄弱地方出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现微细凹槽或裂纹，即“银纹”.

图3 单轴压缩下石蜡-松香复合材料的屈服状态Fig.3 Limit morphology of paraffin-rosin composite material under uniaxial compression

单轴压缩下硬脂酸-松香复合相变材料的破坏形态见图4.由图4可以得出：纯硬脂酸试件压缩破坏时被劈裂，为典型的劈裂张拉破坏；掺入松香后，试件破坏时在上下端面出现了较为明显的剪切破坏特征，即破坏时上下端部出现了横向或斜向的微小裂隙，并逐渐发展为裂纹并剥落，但最终还是以张拉破坏为主；其他掺量下的硬脂酸-松香复合相变材料试件未能测得最终破坏形态，因为当压缩量达到原高度的25%时，试件仍未发生破坏，试件到达屈服极限后，发生挤压流动和塑性变形，但并未出现“应力发白”现象，这同石蜡-松香复合相变材料有较大的区别.总体而言，松香的掺入增强了复合相变材料的塑性.

3.3.2应力-应变曲线

图5为石蜡-松香复合相变材料的应力-应变(σ-ε)曲线.由图5可得：(1)纯石蜡的应力-应变曲线从起始点至峰值点近似直线，峰后应力随着应变的增加而快速减小，反映出典型的“弹脆”变形特征；(2)对于松香掺量为10%的石蜡松香复合相变材料，峰前应力-应变曲线逐渐弯曲，出现了塑性变形阶段；峰后曲线下降较缓，且破坏形式由张拉破坏转变为斜面剪切破坏，反映出松香的加入增加了复合相变材料的塑性，使材料展现出明显的弹塑性变形特征；(3)当松香掺量为20%时，上升段曲线的曲率逐渐增大，变形速率随应力变化，展现出黏弹性，当松香掺量为30%～70%时，上升段曲线大致呈“S型”，展现出塑-弹-塑的变形特征，且该特征随松香掺量增加出现先减弱后增强的趋势，当松香掺量大于70%时，曲线呈现“下凹型”，表现出弹塑性变形特征；(4)当松香掺量小于50%时，峰后曲线下降，表明材料具有应变软化的性质；当松香掺量大于50%时，峰后曲线上抬，随松香掺量增加其上升幅度增大，表现出应变硬化特征.

图4 单轴压缩下硬脂酸-松香复合相变材料屈服状态Fig.4 Limit morphology of stearic acid-rosin composites under uniaxial compression

总体而言，随着松香掺量的增加，石蜡-松香复合相变材料峰前曲线由“直线型”转变为“S型”再到“下凹型”，其塑性逐渐增强，屈服应力逐渐增大；峰后曲线逐渐抬升，材料的特性由应变软化转为应变硬化.

图5 石蜡-松香复合相变材料的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of paraffin-rosin composite phase transition materials

图6为硬脂酸-松香复合相变材料的应力-应变曲线.由图6可以得出：(1)随着松香掺量的增多，硬脂酸-松香复合相变材料的峰值应力逐渐增大；(2)当松香掺量小于30%时，峰前应力-应变曲线大致呈“S”型，表现出“塑-弹-塑”的变形特征；随着峰前曲线逐渐左移，表明材料刚度逐渐增大，松香掺量为10%时，峰后曲线下降较为迅速，这是由于材料破坏时纵向裂纹和斜向裂纹交织，端部材料块状剥落，卸荷较快所造成的；(3)当松香掺量大于30%时，峰前应力-应变曲线随着松香掺量的增加总体上呈现出先左移后右移的规律，表明材料刚度随松香掺量增加而先增大后减小，峰后曲线逐渐下降，体现了材料的应变软化特征，但随着松香掺量的增加而趋于平缓，表明材料韧性随松香掺量增加而提高；(4)松香掺量为90%的硬脂酸- 松香复合相变材料峰后曲线随应变增加而逐渐上升且较为平缓，表现出应变硬化特性和黏弹性变形特征.

图6 硬脂酸-松香复合相变材料的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of stearic acid-rosin composite phase transition materials

总体而言，随着松香掺量的增加，硬脂酸-松香复合相变材料塑性逐渐增强，峰值应力逐渐增大；材料刚度呈现先增强后减弱的趋势，松香掺量为90%时出现应变硬化特征.

4 水下应急堵漏试验

4.1 材料优选

基于引言中介绍的应急封堵方法，所需相变堵漏材料在满足流动性的同时应尽可能具有较大的抗压强度和较好的变形能力.根据本文流动性试验及单轴压缩试验，选择出松香掺量为20%的石蜡-松香复合相变材料和松香掺量为40%的硬脂酸-松香复合相变材料进行室内水下封堵试验，并与纯石蜡的封堵效果进行了对比分析.

4.2 水下封堵试验

使用纯石蜡、石蜡-松香复合相变材料和硬脂酸-松香复合相变材料进行如图7所示的室内水下渗漏应急封堵试验.渗水路径为预制直径8mm的圆孔通道，周围介质为砂土.试验选用电磁式加热封堵装置[21]，试验水温为(25±1)℃，渗漏入水口处的水头为0.2m.试验时首先向模型中注水，待达到预定水位时控制进水流量使水位稳定；然后施放水下加热板至预定位置，启动感应加热控制器，直至封堵完成.

4.3 堵漏结果分析

试验过程中，硬脂酸-松香复合相变材料在水下熔化时大量气化，而且用时很短，较难控制调整，故未能成功封堵.纯石蜡和松香掺量为20%的石蜡-松香复合相变材料取得了较好的堵漏效果.从启动加热控制器起开始计时，并监测渗漏流量，得到渗漏流量与时间的关系曲线，见图8.以封堵材料流出监测点并凝固作为封堵完成的判别标准，封堵完成后，关闭感应加热设备并收回堵漏装置.由图8可以得出：(1)纯石蜡和松香掺量为20%的石蜡-松香复合相变材料均在设备启动后50s时，渗漏流量开始减小，展现出堵漏作用，说明此时已有相变材料熔化流入渗水通道并凝固；(2)从启动设备至封堵完成，纯石蜡材料用时为200s，松香掺量为20%石蜡-松香复合相变材料封堵用时较纯石蜡材料要短，约为120s；(3)封堵完成后，2类材料堵漏效果均较为明显，渗漏流量明显减小且趋于平稳，但封堵完成后使用石蜡-松香复合相变材料堵漏比纯石蜡堵漏的渗水流量更小，止水效果更好.

图8 渗漏流量与时间的关系Fig.8 Relationship between leakage flow and time

封堵完成后，挖开填土并原位收集封堵体，得到其形态如图9所示.由图9可见：纯石蜡在渗水通道中的形态为碎裂的多段，每段约为5cm，且截面较小，内部多有空隙、孔洞，部分为壳状体，渗水通道中的石蜡同周围土体结合不密实，四周泥浆充盈，这也是石蜡封堵后仍有浑浊泥水流出的主要原因；而石蜡-松香复合相变材料在渗水通道中则为1条连续的带状体，但其截面大小不一，内部存在的孔洞同石蜡封堵体相比明显减少.