鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管耐作用力破壞性能研究

毛藝倫，于　麗，呂　雅

（華創(chuàng)天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065001）

鋼帶增強(qiáng)聚乙烯（PE）螺旋波紋管（MRP，以下簡稱鋼帶管）作為當(dāng)前市面上流行的鋼塑復(fù)合管道之一，是以PE樹脂為基體，用表面涂覆粘接樹脂的鋼帶成型為波形作為主要支撐結(jié)構(gòu)，并與內(nèi)外層聚乙烯復(fù)合成整體的復(fù)合結(jié)構(gòu)管材[1]。鋼帶管口徑可達(dá)到3.0 m，其有機(jī)地結(jié)合了鋼的高強(qiáng)度、高剛度和聚乙烯的耐腐蝕性、柔韌性，管材具有環(huán)剛度高、耐腐蝕性好、管壁光滑、使用壽命長等特點(diǎn)，已大量應(yīng)用于市政埋地排水管道 工程中[2～4]。

粘接樹脂作為鋼帶管的重要原料，其功能是將內(nèi)層PE管壁和外層PE管壁分別與中間的鍍鋅鋼帶粘接起來形成一個(gè)整體，從而保證復(fù)合管的強(qiáng)度、耐壓性能等，其粘接性能好壞直接影響著管材的質(zhì)量及使用壽命，因此，對粘接樹脂的粘接性能進(jìn)行檢測十分必要[5]。然而，目前各國對該類管材進(jìn)行的理論研究及試驗(yàn)研究均較少[2]，研究偏重于工程施工及應(yīng)用和連接技術(shù)等方面，對粘接性能的研究及檢測較少，且具有一定局限性。標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 225—2011[1]中給出剝離強(qiáng)度測定方法，試驗(yàn)用測力計(jì)，以10 mm/min的速率，勻速拉起防腐層，并測試數(shù)值，但這種剝離測定方法不能反映粘接樹脂這類高分子材料的高韌性及對能量的吸收性等特性對測試結(jié)果所產(chǎn)生的影響，且此種方法不易操作，試樣不便制取。標(biāo)準(zhǔn)GB/T2790-1995[6]和GB/T2791

—1995[7]中分別給出了膠粘劑180°剝離和T剝離2種試驗(yàn)方法，但標(biāo)準(zhǔn)中提到的方法在鋼帶管粘接樹脂性能評價(jià)上仍具有一定局限性，不能反映粘接樹脂材料的特性對測試結(jié)果所帶來的影響。

本文考慮了高分子材料的高韌性、對能量吸收性等特性，建立了一種恒重試驗(yàn)方法，對鋼帶管短期耐作用力破壞性能進(jìn)行測試，旨在為鋼帶管的粘接性能測試提供方法，同時(shí)也為粘接樹脂的篩選提供參考，并完成了3種型號粘接樹脂的鋼帶管對比測試，綜合對比分析了鋼帶管的粘接性能。首先，對管材試樣進(jìn)行了剝離強(qiáng)度檢測；其次，對管材試樣進(jìn)行了累積恒重試驗(yàn)；最后，對管材試樣進(jìn)行了靜態(tài)恒重試驗(yàn)，綜合評價(jià)了鋼帶管這種復(fù)合結(jié)構(gòu)管材的粘接性能，為鋼帶管的質(zhì)量安全提供保障。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　主要原材料

高密度聚乙烯（HDPE），7600M，中石化公司；DN1200規(guī)格鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管，華創(chuàng)天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司。

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

GOTECH AI-7000M 電子拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測儀器股份有限公司；鐵制矩形支架：長×寬×高：1.5 m×1 m×1 m；鐵制圓柱秤砣：質(zhì)量10 kg，5 kg，1 kg。

1.3　試樣制備

1.3.1管材波峰剝離試樣制備

沿管材“Ω”波形螺旋方向，在管材的波峰上，利用工具裁剪長度為250 mm、寬度為25 mm的波峰樣條，將試樣制成“T”型剝離樣條，試樣見圖1。

圖1　管材波峰試樣“T”型示意圖Fig.1　T-shaped schematic representation of pipe wave crest specimen

1.3.2恒重試樣的制備

沿管材“Ω”波形螺旋方向，利用工具裁剪寬度為10 ㎜ 的 Ω 波形試樣， 沿管材試樣內(nèi)壁、波腳上方5 ㎜處，將內(nèi)壁粘接樹脂層去除1 ㎜寬，在管道內(nèi)壁2側(cè)各形成一個(gè)起始預(yù)制缺口，試樣見圖2。

圖2　恒重試樣示意圖Fig.2　Schematic representation of specimen for constant weight experiment

1.4　實(shí)驗(yàn)測試過程

1.4.1管材波峰試樣剝離強(qiáng)度測試

利用萬能試驗(yàn)機(jī)上下夾具固定試樣，對試樣進(jìn)行“T”剝離強(qiáng)度測試，試樣夾持部位應(yīng)避免滑移，設(shè)置剝離速率10 mm/min，室溫下進(jìn)行測試。從剝離力值和時(shí)間的關(guān)系曲線上測定平均剝離力值，單位N。樣條剝離長度不小于100 mm，平均剝離力值可通過origin軟件擬合直線得到。測試數(shù)量不少于5個(gè)，計(jì)算平均值。

1.4.2累積恒重測試

為了加速找到試樣短期破壞所需的力值，進(jìn)行累積恒重試驗(yàn)。用鋼制“U”型夾具及鋼絲將“Ω”波形試樣與支架連接，懸掛一定質(zhì)量秤砣對試樣施加作用力，設(shè)定起始質(zhì)量為10 kg，每隔30 min增加1 kg 秤砣，直至試樣出現(xiàn)細(xì)裂紋或應(yīng)力發(fā)白，記錄此時(shí)秤砣總質(zhì)量（kg），以此確定管材試樣靜態(tài)恒重試驗(yàn)所需施加的秤砣質(zhì)量。測試數(shù)量不少于5個(gè)，計(jì)算平均值。

圖3　恒重試驗(yàn)夾具尺寸示意圖（上夾具寬a，下夾具寬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靜態(tài)恒重測試

用鋼制“U”型夾具及鋼絲將“Ω”波形試樣與支架連接，對試樣施加累積恒重試驗(yàn)下相應(yīng)質(zhì)量的秤砣，對試樣施加靜態(tài)恒力，記錄試樣“波腳”處有鋼帶位置完全開裂所耗時(shí)間。測試數(shù)量不少于5個(gè)，計(jì)算平均值。

圖4　管材波峰試樣剝離照片F(xiàn)ig.4　Photos of peeling pipe wave crest specimens

2　結(jié)果與討論

2.1　剝離強(qiáng)度測試結(jié)果

為了對管材粘接強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，參考標(biāo)準(zhǔn)CJ/T225—2011，利用萬能試驗(yàn)機(jī)以10 mm/min的速率，使樣條勻速剝離。3種類型粘接樹脂鋼帶管試樣剝離測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，粘接樹脂AR2鋼帶管的剝離強(qiáng) 度 為（257±6）N/cm，顯著高 于AR1和AR3鋼帶管的剝離強(qiáng)度；且AR1的剝離強(qiáng)度高于AR3剝離強(qiáng)度。

在剝離試驗(yàn)過程中，AR1粘接樹脂剝離強(qiáng)度波動(dòng)較大，萬能試驗(yàn)機(jī)容易出現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)現(xiàn)象，粘接樹脂表現(xiàn)出一定的“脆性”，鋼帶表面留有不連續(xù)的粘接樹脂層，鋼帶或聚乙烯表面大部分位置較為光滑，表現(xiàn)出一定程度的界面破壞；AR2試樣剝離時(shí)，鋼帶和聚乙烯表面呈現(xiàn)連續(xù)的粘接樹脂層，鋼帶表面和聚乙烯表面均勻分布“毛刺”狀態(tài)的粘接樹脂，表現(xiàn)為粘接樹脂的本體破壞，剝離破壞機(jī)制是通過將內(nèi)作用力釋放到粘接樹脂本體產(chǎn)生裂紋并增長；AR3試樣的鋼帶和聚乙烯表面“毛刺”較少，粘接樹脂本體破壞程度低。由于使材料本體破壞所需施加的力通常高于材料間界面破壞所需的力[8]，因此鋼帶管粘接樹脂AR2的剝離強(qiáng)度顯著高于AR1，表現(xiàn)出優(yōu)異的粘接性能；而AR3由于本體破壞程度弱，其剝離強(qiáng)度較低。

2.2　累積恒重測試結(jié)果

管材在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常處于低作用力環(huán)境中，而對波峰進(jìn)行剝離試驗(yàn)時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)即對試樣施加了高作用力，使試樣發(fā)生剝離破壞，因此無法反映管材的實(shí)際應(yīng)用情況。為了模擬鋼帶管在實(shí)際應(yīng)用時(shí)長期處于低作用力環(huán)境，對管材試樣進(jìn)行靜態(tài)恒重試驗(yàn)，檢測其耐外力破壞性能。為了加速試驗(yàn)，找到試樣短期破壞所需的作用力，本文首先進(jìn)行了累積恒重試驗(yàn)，以此確定靜態(tài)恒重試驗(yàn)所需作用力。

在“Ω”波形試樣內(nèi)壁2側(cè)各形成一個(gè)預(yù)缺口，使吊掛在試樣上的秤砣的重力幾乎完全作用在試樣2端“腳掌”上，減少測試過程中的影響因素。使用夾具將試樣懸掛于固定支架上，對試樣分別加載秤砣，設(shè)定起始質(zhì)量為10 kg，每隔30 min增加1 kg直至試樣“腳掌”處出現(xiàn)細(xì)裂紋或應(yīng)力發(fā)白，此時(shí)總質(zhì)量即為管材試樣靜態(tài)恒重試驗(yàn)的秤砣質(zhì)量。

從圖5可以看出，AR1粘接樹脂鋼帶試樣在秤砣質(zhì)量達(dá)到（12±0.2）kg時(shí)，試樣的“腳掌”處出現(xiàn)微裂紋；AR2試樣在秤砣質(zhì)量達(dá)到（21±0.2）kg時(shí)，試樣的 “腳掌”處出現(xiàn)應(yīng)力發(fā)白，高于AR1和AR3粘接樹脂試樣；且AR3試樣在施加的秤砣質(zhì)量為（15±0.3）kg時(shí)，試樣的“腳掌”處出現(xiàn)應(yīng)力發(fā)白，其所需的秤砣質(zhì)量高于AR1。

圖5　3種類型粘接樹脂試樣累積恒重試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5　Photos of accumulated constant weight experiment of specimens for three types of adhesive resins

2.3　累積恒重試驗(yàn)力作用下的靜態(tài)恒重測試結(jié)果

使用夾具將試樣懸掛于支架上，對3種類型粘接樹脂試樣分別加載相對應(yīng)的累積恒重試驗(yàn)下的總秤砣質(zhì)量，確定管材試樣“腳掌”有鋼帶的部位完全開裂所耗時(shí)間，即為靜態(tài)恒重試驗(yàn)時(shí)間，結(jié)果見圖6。

圖6　3種類型粘接樹脂試樣靜態(tài)恒重試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6　Photos of static constant weight experiment of specimens for three types of adhesive resins（注：照片AR1為試驗(yàn)18 h后拍攝，AR2為試驗(yàn)521 h后拍攝，AR3為試驗(yàn)23.7 h后拍攝）

從圖6可以看出，AR1試樣在12 kg秤砣作用下經(jīng)過18 h即發(fā)生開裂破壞，試樣破壞界面鋼帶表面殘留少量“波紋狀”粘接樹脂；而AR3試樣在施加15 kg秤砣時(shí)，經(jīng)過23 h試樣發(fā)生開裂破壞，破壞界面鋼帶表面殘留“毛刺”狀態(tài)粘接樹脂，其破壞力值和時(shí)間均高于AR1，表明AR3粘接樹脂的粘接性能優(yōu)異于AR1，這與剝離測試結(jié)果相反，可能是因?yàn)锳R3粘接樹脂具有良好的韌性，在低外力作用下，內(nèi)部裂紋增長較為緩慢，試樣在破壞前能夠吸收大量的能量，從而發(fā)生破壞耗時(shí)長；對AR2試樣施加質(zhì)量為21 kg秤砣時(shí)，經(jīng)過521 h試樣發(fā)生開裂破壞，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的粘接性能。

表1　3種等級作用力下的恒重測試結(jié)果Tab.1　Results of constant weight experiment under three weight grades

2.4　相同等級作用力下的靜態(tài)恒重測試結(jié)果

對3種類型粘接樹脂試樣分別施加3種等級的作用力，測試試樣的靜態(tài)恒重時(shí)間，并進(jìn)行對比分析（見表1）。

從表1可以看出，在相同質(zhì)量秤砣的作用下，AR3的破壞所耗時(shí)間長于AR1，AR1試樣破壞界面鋼帶表面殘留微量“波紋”狀態(tài)粘接樹脂，AR3試樣破壞界面鋼帶表面殘留“毛刺”狀態(tài)粘接樹脂層，這表明AR3粘接樹脂具有優(yōu)良的韌性，而AR1粘接樹脂具有脆性，吸收能量的能力較弱，故試樣發(fā)生破壞相對耗時(shí)短；AR2試樣在10 kg和15 kg作用力下，經(jīng)過30 d仍未發(fā)生破壞，在20 kg作用力下，經(jīng)過557 h試樣才發(fā)生開裂，破壞界面鋼帶表面殘留“毛刺”狀態(tài)粘接樹脂層，為粘接樹脂本體破壞，AR2粘接樹脂的粘接性能優(yōu)異，其管材安全性能高。

通過實(shí)驗(yàn)室剝離試驗(yàn)、累積恒重試驗(yàn)和靜態(tài)恒重試驗(yàn)的綜合對比分析，可以看出AR1粘接樹脂的剝離強(qiáng)度優(yōu)于AR3粘接樹脂，而恒重試驗(yàn)結(jié)果卻低于AR3粘接樹脂，這是由于AR3粘接樹脂的韌性高，在低作用力下，內(nèi)部裂紋可以緩慢增長，破壞前能夠吸收大量的能量，從而恒重試驗(yàn)結(jié)果高，而AR1的脆性較大，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞需要的作用力高，故剝離強(qiáng)度高，恒重時(shí)間短；相對于AR1和AR3粘接樹脂，AR2粘接樹脂的粘接性能優(yōu)異，對鋼帶和聚乙烯的粘接強(qiáng)度高，管材的質(zhì)量最好，使用價(jià)值最高。

3　結(jié)論

通過對鋼帶管試樣的剝離試驗(yàn)與恒重試驗(yàn)綜合分析了管材的粘接性能，管材試樣的剝離試驗(yàn)反映的是在短時(shí)間內(nèi)，管材發(fā)生剝離破壞所需要的作用力，作用力的強(qiáng)弱等效為粘接性能的優(yōu)劣。而管材使用過程中通常處于低作用力（以上所述低作用力是指低于管材破壞的作用力）環(huán)境中，粘接樹脂的高韌性可使其在低作用力條件下吸收大量的能量，從而阻止管材的破壞；如果粘接樹脂的脆性大，其吸收能量的性能較差，相應(yīng)的管材容易產(chǎn)生破壞。

通過3種類型粘接樹脂的對比測試，對粘接樹脂的粘接性能進(jìn)行了綜合評價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明對管材試樣進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試來評價(jià)其粘接性能，不能完全反映粘接樹脂的粘接性能及管材粘接質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，評價(jià)鋼帶管的粘接性能應(yīng)綜合考慮粘接樹脂的特性，對其進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)及耐作用力破壞性能試驗(yàn)。本文建立的測試方法為鋼帶管粘接樹脂的選擇提供指導(dǎo)，此種測試方法作為粘接性能測試的一種補(bǔ)充方法，對鋼帶管的發(fā)展及質(zhì)量提升具有重要意義。

[1]CJ/T 225-2011.埋地排水用鋼帶增強(qiáng)聚乙烯(PE)螺旋波紋管[S].

[2]顏春,凌天清,歐冬.鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管薄弱環(huán)節(jié)試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào),2016,29(11):33-41.

[3]CECS 223-2007.埋地排水用鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管管道工程技術(shù)規(guī)程[S].

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[7]GB/T2791-1995.膠粘劑T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法-撓性材料對撓性材料[S].