毛艺伦，于　丽，吕　雅

（华创天元实业发展有限责任公司，河北 廊坊 065001）

钢带增强聚乙烯（PE）螺旋波纹管（MRP，以下简称钢带管）作为当前市面上流行的钢塑复合管道之一，是以PE树脂为基体，用表面涂覆粘接树脂的钢带成型为波形作为主要支撑结构，并与内外层聚乙烯复合成整体的复合结构管材[1]。钢带管口径可达到3.0 m，其有机地结合了钢的高强度、高刚度和聚乙烯的耐腐蚀性、柔韧性，管材具有环刚度高、耐腐蚀性好、管壁光滑、使用寿命长等特点，已大量应用于市政埋地排水管道 工程中[2～4]。

粘接树脂作为钢带管的重要原料，其功能是将内层PE管壁和外层PE管壁分别与中间的镀锌钢带粘接起来形成一个整体，从而保证复合管的强度、耐压性能等，其粘接性能好坏直接影响着管材的质量及使用寿命，因此，对粘接树脂的粘接性能进行检测十分必要[5]。然而，目前各国对该类管材进行的理论研究及试验研究均较少[2]，研究偏重于工程施工及应用和连接技术等方面，对粘接性能的研究及检测较少，且具有一定局限性。标准CJ/T 225—2011[1]中给出剥离强度测定方法，试验用测力计，以10 mm/min的速率，匀速拉起防腐层，并测试数值，但这种剥离测定方法不能反映粘接树脂这类高分子材料的高韧性及对能量的吸收性等特性对测试结果所产生的影响，且此种方法不易操作，试样不便制取。标准GB/T2790-1995[6]和GB/T2791

—1995[7]中分别给出了胶粘剂180°剥离和T剥离2种试验方法，但标准中提到的方法在钢带管粘接树脂性能评价上仍具有一定局限性，不能反映粘接树脂材料的特性对测试结果所带来的影响。

本文考虑了高分子材料的高韧性、对能量吸收性等特性，建立了一种恒重试验方法，对钢带管短期耐作用力破坏性能进行测试，旨在为钢带管的粘接性能测试提供方法，同时也为粘接树脂的筛选提供参考，并完成了3种型号粘接树脂的钢带管对比测试，综合对比分析了钢带管的粘接性能。首先，对管材试样进行了剥离强度检测；其次，对管材试样进行了累积恒重试验；最后，对管材试样进行了静态恒重试验，综合评价了钢带管这种复合结构管材的粘接性能，为钢带管的质量安全提供保障。

1　实验部分

1.1　主要原材料

高密度聚乙烯（HDPE），7600M，中石化公司；DN1200规格钢带增强聚乙烯螺旋波纹管，华创天元实业发展有限责任公司。

1.2　实验设备

GOTECH AI-7000M 电子拉力试验机，高铁检测仪器股份有限公司；铁制矩形支架：长×宽×高：1.5 m×1 m×1 m；铁制圆柱秤砣：质量10 kg，5 kg，1 kg。

1.3　试样制备

1.3.1管材波峰剥离试样制备

沿管材“Ω”波形螺旋方向，在管材的波峰上，利用工具裁剪长度为250 mm、宽度为25 mm的波峰样条，将试样制成“T”型剥离样条，试样见图1。

图1　管材波峰试样“T”型示意图Fig.1　T-shaped schematic representation of pipe wave crest specimen

1.3.2恒重试样的制备

沿管材“Ω”波形螺旋方向，利用工具裁剪宽度为10 ㎜ 的 Ω 波形试样， 沿管材试样内壁、波脚上方5 ㎜处，将内壁粘接树脂层去除1 ㎜宽，在管道内壁2侧各形成一个起始预制缺口，试样见图2。

图2　恒重试样示意图Fig.2　Schematic representation of specimen for constant weight experiment

1.4　实验测试过程

1.4.1管材波峰试样剥离强度测试

利用万能试验机上下夹具固定试样，对试样进行“T”剥离强度测试，试样夹持部位应避免滑移，设置剥离速率10 mm/min，室温下进行测试。从剥离力值和时间的关系曲线上测定平均剥离力值，单位N。样条剥离长度不小于100 mm，平均剥离力值可通过origin软件拟合直线得到。测试数量不少于5个，计算平均值。

1.4.2累积恒重测试

为了加速找到试样短期破坏所需的力值，进行累积恒重试验。用钢制“U”型夹具及钢丝将“Ω”波形试样与支架连接，悬挂一定质量秤砣对试样施加作用力，设定起始质量为10 kg，每隔30 min增加1 kg 秤砣，直至试样出现细裂纹或应力发白，记录此时秤砣总质量（kg），以此确定管材试样静态恒重试验所需施加的秤砣质量。测试数量不少于5个，计算平均值。

图3　恒重试验夹具尺寸示意图（上夹具宽a，下夹具宽1/5 b）Fig.3　Schematic representation of holder size for constant weight experiment（above holder with width a，below holder with width 1/5b）

1.4.3静态恒重测试

用钢制“U”型夹具及钢丝将“Ω”波形试样与支架连接，对试样施加累积恒重试验下相应质量的秤砣，对试样施加静态恒力，记录试样“波脚”处有钢带位置完全开裂所耗时间。测试数量不少于5个，计算平均值。

图4　管材波峰试样剥离照片Fig.4　Photos of peeling pipe wave crest specimens

2　结果与讨论

2.1　剥离强度测试结果

为了对管材粘接强度进行评价，参考标准CJ/T225—2011，利用万能试验机以10 mm/min的速率，使样条匀速剥离。3种类型粘接树脂钢带管试样剥离测试结果如图4所示。从图4可以看出，粘接树脂AR2钢带管的剥离强 度 为（257±6）N/cm，显著高 于AR1和AR3钢带管的剥离强度；且AR1的剥离强度高于AR3剥离强度。

在剥离试验过程中，AR1粘接树脂剥离强度波动较大，万能试验机容易出现自动停机现象，粘接树脂表现出一定的“脆性”，钢带表面留有不连续的粘接树脂层，钢带或聚乙烯表面大部分位置较为光滑，表现出一定程度的界面破坏；AR2试样剥离时，钢带和聚乙烯表面呈现连续的粘接树脂层，钢带表面和聚乙烯表面均匀分布“毛刺”状态的粘接树脂，表现为粘接树脂的本体破坏，剥离破坏机制是通过将内作用力释放到粘接树脂本体产生裂纹并增长；AR3试样的钢带和聚乙烯表面“毛刺”较少，粘接树脂本体破坏程度低。由于使材料本体破坏所需施加的力通常高于材料间界面破坏所需的力[8]，因此钢带管粘接树脂AR2的剥离强度显著高于AR1，表现出优异的粘接性能；而AR3由于本体破坏程度弱，其剥离强度较低。

2.2　累积恒重测试结果

管材在实际应用时，通常处于低作用力环境中，而对波峰进行剥离试验时，在短时间内即对试样施加了高作用力，使试样发生剥离破坏，因此无法反映管材的实际应用情况。为了模拟钢带管在实际应用时长期处于低作用力环境，对管材试样进行静态恒重试验，检测其耐外力破坏性能。为了加速试验，找到试样短期破坏所需的作用力，本文首先进行了累积恒重试验，以此确定静态恒重试验所需作用力。

在“Ω”波形试样内壁2侧各形成一个预缺口，使吊挂在试样上的秤砣的重力几乎完全作用在试样2端“脚掌”上，减少测试过程中的影响因素。使用夹具将试样悬挂于固定支架上，对试样分别加载秤砣，设定起始质量为10 kg，每隔30 min增加1 kg直至试样“脚掌”处出现细裂纹或应力发白，此时总质量即为管材试样静态恒重试验的秤砣质量。

从图5可以看出，AR1粘接树脂钢带试样在秤砣质量达到（12±0.2）kg时，试样的“脚掌”处出现微裂纹；AR2试样在秤砣质量达到（21±0.2）kg时，试样的 “脚掌”处出现应力发白，高于AR1和AR3粘接树脂试样；且AR3试样在施加的秤砣质量为（15±0.3）kg时，试样的“脚掌”处出现应力发白，其所需的秤砣质量高于AR1。

图5　3种类型粘接树脂试样累积恒重试验照片Fig.5　Photos of accumulated constant weight experiment of specimens for three types of adhesive resins

2.3　累积恒重试验力作用下的静态恒重测试结果

使用夹具将试样悬挂于支架上，对3种类型粘接树脂试样分别加载相对应的累积恒重试验下的总秤砣质量，确定管材试样“脚掌”有钢带的部位完全开裂所耗时间，即为静态恒重试验时间，结果见图6。

图6　3种类型粘接树脂试样静态恒重试验照片Fig.6　Photos of static constant weight experiment of specimens for three types of adhesive resins（注：照片AR1为试验18 h后拍摄，AR2为试验521 h后拍摄，AR3为试验23.7 h后拍摄）

从图6可以看出，AR1试样在12 kg秤砣作用下经过18 h即发生开裂破坏，试样破坏界面钢带表面残留少量“波纹状”粘接树脂；而AR3试样在施加15 kg秤砣时，经过23 h试样发生开裂破坏，破坏界面钢带表面残留“毛刺”状态粘接树脂，其破坏力值和时间均高于AR1，表明AR3粘接树脂的粘接性能优异于AR1，这与剥离测试结果相反，可能是因为AR3粘接树脂具有良好的韧性，在低外力作用下，内部裂纹增长较为缓慢，试样在破坏前能够吸收大量的能量，从而发生破坏耗时长；对AR2试样施加质量为21 kg秤砣时，经过521 h试样发生开裂破坏，表现出非常优异的粘接性能。

表1　3种等级作用力下的恒重测试结果Tab.1　Results of constant weight experiment under three weight grades

2.4　相同等级作用力下的静态恒重测试结果

对3种类型粘接树脂试样分别施加3种等级的作用力，测试试样的静态恒重时间，并进行对比分析（见表1）。

从表1可以看出，在相同质量秤砣的作用下，AR3的破坏所耗时间长于AR1，AR1试样破坏界面钢带表面残留微量“波纹”状态粘接树脂，AR3试样破坏界面钢带表面残留“毛刺”状态粘接树脂层，这表明AR3粘接树脂具有优良的韧性，而AR1粘接树脂具有脆性，吸收能量的能力较弱，故试样发生破坏相对耗时短；AR2试样在10 kg和15 kg作用力下，经过30 d仍未发生破坏，在20 kg作用力下，经过557 h试样才发生开裂，破坏界面钢带表面残留“毛刺”状态粘接树脂层，为粘接树脂本体破坏，AR2粘接树脂的粘接性能优异，其管材安全性能高。

通过实验室剥离试验、累积恒重试验和静态恒重试验的综合对比分析，可以看出AR1粘接树脂的剥离强度优于AR3粘接树脂，而恒重试验结果却低于AR3粘接树脂，这是由于AR3粘接树脂的韧性高，在低作用力下，内部裂纹可以缓慢增长，破坏前能够吸收大量的能量，从而恒重试验结果高，而AR1的脆性较大，在短时间内发生破坏需要的作用力高，故剥离强度高，恒重时间短；相对于AR1和AR3粘接树脂，AR2粘接树脂的粘接性能优异，对钢带和聚乙烯的粘接强度高，管材的质量最好，使用价值最高。

3　结论

通过对钢带管试样的剥离试验与恒重试验综合分析了管材的粘接性能，管材试样的剥离试验反映的是在短时间内，管材发生剥离破坏所需要的作用力，作用力的强弱等效为粘接性能的优劣。而管材使用过程中通常处于低作用力（以上所述低作用力是指低于管材破坏的作用力）环境中，粘接树脂的高韧性可使其在低作用力条件下吸收大量的能量，从而阻止管材的破坏；如果粘接树脂的脆性大，其吸收能量的性能较差，相应的管材容易产生破坏。

通过3种类型粘接树脂的对比测试，对粘接树脂的粘接性能进行了综合评价。试验结果表明对管材试样进行剥离强度测试来评价其粘接性能，不能完全反映粘接树脂的粘接性能及管材粘接质量的优劣。因此，评价钢带管的粘接性能应综合考虑粘接树脂的特性，对其进行剥离强度试验及耐作用力破坏性能试验。本文建立的测试方法为钢带管粘接树脂的选择提供指导，此种测试方法作为粘接性能测试的一种补充方法，对钢带管的发展及质量提升具有重要意义。

[1]CJ/T 225-2011.埋地排水用钢带增强聚乙烯(PE)螺旋波纹管[S].

[2]颜春,凌天清,欧冬.钢带增强聚乙烯螺旋波纹管薄弱环节试验[J].中国公路学报,2016,29(11):33-41.

[3]CECS 223-2007.埋地排水用钢带增强聚乙烯螺旋波纹管管道工程技术规程[S].

[4]张旭滨,刘继文,齐欣.大口径钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的设计及应用[J].中国给水排水,2012,28(2):102-104.

[5]郭威男,任光合,李鹏.MRP管道镀锌钢带与热熔胶之间粘接性能研究[J].粘接,2014,35(12):64-66.

[6]GB/T 2790-1995.胶粘剂180°剥离强度试验方法-挠性材料对刚性材料[S].

[7]GB/T2791-1995.胶粘剂T剥离强度试验方法-挠性材料对挠性材料[S].