高聚物注漿材料剪切性能試驗(yàn)研究

鄭勇 王超杰 張曦君 石明生 王道路 劉恒

摘 要：雙組分聚氨酯高聚物注漿材料具有早強(qiáng)、耐久、高膨脹力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程防滲加固領(lǐng)域，但對(duì)其剪切性能鮮有研究，且對(duì)其測(cè)試方式也沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。通過圓筒扭轉(zhuǎn)、圓板0°加載法及軌道剪切法三種剪切試驗(yàn)研究了不同密度高聚物材料的剪切性能，并根據(jù)結(jié)果提出適用于該種高聚物材料的剪切性能測(cè)試方法。結(jié)果表明：圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)試樣制作方便，結(jié)果較為準(zhǔn)確，測(cè)試過程簡(jiǎn)單，適合高聚物剪切參數(shù)的測(cè)試。試樣的剪切模量、剪切強(qiáng)度與密度成正相關(guān)關(guān)系，密度越大，剪切強(qiáng)度越大，試樣越偏向于脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：高聚物注漿材料;剪切性能;圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV441;TU532+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.027

引用格式：鄭勇，王超杰，張曦君，等.高聚物注漿材料剪切性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2021，43（10）：139-143，160.

Abstract： Two-component polyurethane grouting material has the characteristics of early strength， durability and high expansion force and has been widely used in the field of foundation engineering anti-seepage reinforcement. However， there are few studies on its shear properties and there is no unifed understanding of its testing methods. Therefore， the shear properties of polymer materials with different densities were studied by three kinds of shear tests of cylinder torsion， circular plate 0° loading method and orbital shear method. The results show that the method of cylinder torsion test has many advantages， such as the sample is easy to make， the result is more accurate， the test process is simple and is more suitable for the high polymer shear parameters test. The shear modulus and shear strength of the sample are positively related to the density. The shear strength increases with the increase of the density， the shear failure of the sample tends to brittle fracture.

Key words： polymer grouting materials; shear properties; cylinder torsion test

高聚物注漿材料是由多異氰酸酯和聚酯多元醇或聚醚多元醇等原料制成的高分子聚合物，其具有反應(yīng)較快、無(wú)須養(yǎng)護(hù)、抗拉壓性能好、膨脹力大、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，因此被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程防滲加固領(lǐng)域[4]。然而在基礎(chǔ)工程防滲加固領(lǐng)域，材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性、防水特性、黏結(jié)特性、抗剪性等力學(xué)性能尤為重要，因此很多專家對(duì)此類高聚物材料的力學(xué)及動(dòng)力特性等方面進(jìn)行了一定研究[5]，但對(duì)其剪切性能研究較少，其抵抗剪切變形和破壞的能力又是應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)的重要參考。石明生等[6]使用三點(diǎn)受力加荷方式對(duì)不同密度的高聚物注漿材料的彎曲性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)材料破壞呈脆性斷裂形態(tài)，但該種方法無(wú)法得出材料確切的剪切模量，且試件的跨厚比是影響測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵，但并未就此進(jìn)行更加深入的研究。李嘉等[7]將壓電陶瓷彎曲元測(cè)試技術(shù)引入高聚物注漿材料小應(yīng)變動(dòng)剪切模量測(cè)試中，但彎曲元傳感器選取、電路連接、測(cè)試過程中激發(fā)信號(hào)的選取、頻率選擇及傳播時(shí)間確定等尚無(wú)統(tǒng)一的依據(jù)，測(cè)試精度也有待提高。

目前，瀝青路面的車轍病害越來(lái)越嚴(yán)重，車轍形成的主要原因是荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于高溫時(shí)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，并且重載、高胎壓和高速度等交通條件會(huì)引起輪載下產(chǎn)生強(qiáng)大的剪應(yīng)力。另外在大壩修復(fù)過程中，由于不均勻沉降可能遇到層間剪切及接縫灌漿的剪切斷裂，因此對(duì)高聚物注漿材料抗剪強(qiáng)度的研究尤為重要。針對(duì)其他類型聚氨酯材料，也有學(xué)者使用不同測(cè)試方法對(duì)其剪切性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。謝若澤等[8]借助大型精密分段式Hopkinson扭桿試驗(yàn)裝置研究了兩種密度泡沫塑料在剪切應(yīng)力波加載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)材料在動(dòng)態(tài)剪切加載下表現(xiàn)為脆性破壞，胞體壁破損不明顯。Marsavina等[9]通過試驗(yàn)研究了不同密度聚氨酯材料的剪切強(qiáng)度和剪切模量，試驗(yàn)表明，剪切模量和剪切強(qiáng)度隨材料密度的增大而增大。Andersson等[10]通過基于ISO 1922及ASTM C273標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室程序，評(píng)價(jià)了用于地板夾芯板的結(jié)構(gòu)芯材聚氨酯泡沫的剪切性能，研究了不同跨厚比對(duì)密度為70 kg/m3的聚氨酯材料剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響，結(jié)果表明，跨厚比為2時(shí)，剪切強(qiáng)度增大45%，剪切模量增大17%。Beverte[11]研制了一種直接測(cè)定硬質(zhì)聚氨酯泡沫試樣剪切位移的軸向夾緊式拉伸儀，并應(yīng)用該夾具直接在帶有凹槽的試樣上測(cè)試聚氨酯泡沫塑料的剪切模量和強(qiáng)度。然而，一方面對(duì)于剪切性能測(cè)試方式?jīng)]有達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，另一方面聚氨酯材料種類繁多，材料特性不盡相同。上述文獻(xiàn)所研究的材料與本文所述發(fā)泡型聚氨酯材料并不屬于同一種，因此需確立該種高聚物注漿材料抗剪切性能測(cè)試方式，并對(duì)其剪切性能進(jìn)行研究。

密度是影響高聚物注漿材料剪切力學(xué)特性的重要因素。為了系統(tǒng)研究發(fā)泡高聚物注漿材料的剪切性能及其評(píng)價(jià)方法，本研究選擇圓筒扭轉(zhuǎn)法、圓板0°加載法及軌道剪切法對(duì)不同密度的高聚物注漿材料進(jìn)行測(cè)試，研制了專用的試件注漿成型模具，并通過對(duì)比提出高聚物注漿材料的剪切性能評(píng)價(jià)方法，然后根據(jù)最優(yōu)試驗(yàn)方法研究了其剪切破壞特征，為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及過程

1.1 原材料

高聚物材料選用自主研發(fā)的雙組分發(fā)泡型聚氨酯材料，由兩種組分按質(zhì)量比1∶1反應(yīng)生成，材料在35 s內(nèi)迅速反應(yīng)膨脹，10 min后趨于穩(wěn)定，因?yàn)椴牧暇哂辛鲃?dòng)性和迅速固化膨脹的性質(zhì)，且需要模擬材料在實(shí)際工況中的狀態(tài)，所以需要設(shè)計(jì)專門的模具通過注漿形成不同密度的試件。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

為了使試件內(nèi)部產(chǎn)生純剪應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)預(yù)先制備的圓筒形狀的試件兩端施加扭轉(zhuǎn)力，記錄加載過程中試件兩端的扭轉(zhuǎn)角和扭矩，可得出試件扭轉(zhuǎn)全程的扭矩—扭轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線?；谶@些曲線，采用圓柱體扭轉(zhuǎn)的理論公式近似處理試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同密度參數(shù)的高聚物剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線。分析應(yīng)力應(yīng)變曲線的線性階段和峰值，即可得出試件的剪切模量和剪切強(qiáng)度。

（1）試樣制備。高聚物試樣需要注漿后脫模成型。制樣模具見圖1，內(nèi)部為啞鈴狀，其中一端扣帽鉆直徑4.5 mm注漿孔，另一端扣帽鉆直徑6 mm排氣孔。成型試樣形狀及尺寸如圖2所示，內(nèi)徑55 mm、外徑80 mm，把試件兩端的夾持區(qū)切除，不僅降低夾持壓力對(duì)試件應(yīng)力分布的影響，而且便于試驗(yàn)機(jī)夾持。

（2）試驗(yàn)過程。試驗(yàn)按照《金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法》（GB/T 10128—2007）和《塑料拉伸性能的試驗(yàn)方法》（GB/T 1040.5—2008）進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備采用深圳瑞格爾儀器有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)（RNJ500），該試驗(yàn)機(jī)的最大扭矩為500 N·m，雙向旋轉(zhuǎn)，5級(jí)調(diào)速。

1.2.2 圓板0°加載試驗(yàn)

（1）制樣模具。如圖3所示，模具是通過螺栓將兩塊10 mm厚的鋼板拼裝而成的，作為試樣成型區(qū)，一塊鋼板上沖切矩形凹槽，凹槽深度為2 mm，另一塊鋼板中間安裝注漿頭，鉆出直徑為4.5 mm的注漿孔。為方便脫模，在矩形凹槽涂抹脫模劑，然后拼裝模具，并對(duì)模具進(jìn)行適度加熱，方便漿液充分?jǐn)U散。注漿完成后，待其冷卻、脫模，取出試件，將薄片體試件用刻刀壓出如圖4所示的形狀與尺寸，將試件A1、A2處轉(zhuǎn)角保留一定弧度，減小加載時(shí)應(yīng)力集中造成的影響。試件兩端的圓孔是供試驗(yàn)機(jī)夾具穿過的加載孔，為防止加載過程中加載孔先發(fā)生破壞及加載孔附近變形過大，在加載孔及附近區(qū)域貼加強(qiáng)片。

（2）試驗(yàn)過程。試驗(yàn)采用天津凱爾測(cè)控有限公司生產(chǎn)的MUF-1050型單軸疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)位移精度為0.05 μm，載荷分辨率為0.001 N。本試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)溫度為18～20 ℃，采用位移控制，加載速率為1 mm/min，記錄位移和荷載數(shù)據(jù)。

1.2.3 軌道剪切試驗(yàn)

（1）制樣模具。如圖5所示，制樣鋼板內(nèi)部為長(zhǎng)方體凹槽，尺寸為250 mm×50 mm×25 mm，鋼板上下厚度均為10 mm，通過螺栓將其連接，頂部布設(shè)排氣孔和注漿孔。

（2）試驗(yàn)過程。參考《硬質(zhì)泡沫塑料 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB/T 10007—2008）中相關(guān)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為浙江辰鑫機(jī)械設(shè)備有限公司制造的WE-600B型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大施加拉力或壓力為600 kN，精度0.01 kN。加載采用位移控制，夾頭移動(dòng)速度為1 mm/min。試件夾具構(gòu)造如圖6所示，剪切破壞面見圖7。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

最大剪應(yīng)力qmax可以由式（1）確定：

式中：T為扭矩，N·m;D、d為試件外徑、內(nèi)徑，mm。

每組數(shù)據(jù)彈性階段的應(yīng)力和應(yīng)變基本為線性關(guān)系，將這一階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合為直線，斜率即試樣的彈性模量值。

圖8為根據(jù)式（1）計(jì)算的不同密度高聚物的剪切強(qiáng)度和剪切模量，可以看出高聚物注漿材料剪切強(qiáng)度和剪切模量均隨密度增大而增大，主要原因是當(dāng)高聚物密度較大時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，材料胞體結(jié)構(gòu)較小，體系更加穩(wěn)定，進(jìn)而表現(xiàn)出更好的抗剪切性能。

2.2 圓板0°加載試驗(yàn)結(jié)果

光彈試驗(yàn)表明[13]，加載時(shí)，如果A1A2線與拉力方向的夾角α<45°，則A1A2截面上應(yīng)力近似均勻分布。那么在試驗(yàn)中為了使有效截面A1A2為均布純剪切應(yīng)力狀態(tài)，令A(yù)1A2線與拉力方向重合，即α=0°，根據(jù)此狀態(tài)采用式（2）、式（3）求解其剪切強(qiáng)度τ和剪切模量G。

式中：A為A1A2截面面積;Pm為破壞荷載;ΔP為荷載增量;ε1+ε2為0°加載時(shí)與荷載方向成±45°角兩方向應(yīng)變?cè)隽拷^對(duì)值之和。

高聚物密度ρ與剪切強(qiáng)度和剪切模量的關(guān)系見圖9，可以看出，隨著高聚物密度的增大，剪切模量和剪切強(qiáng)度增大，與圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果相比，圓板0°加載試驗(yàn)得到的剪切模量偏小、剪切強(qiáng)度偏大。雖然在圓板加載區(qū)域粘貼了加強(qiáng)片，使非作用區(qū)域的變形量變小，但是非作用區(qū)域還有一小部分的形變，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)所用的應(yīng)變值大于作用區(qū)實(shí)際的應(yīng)變值，使得剪切模量偏小。對(duì)破壞后的試件進(jìn)行觀察可以看出，除了作用區(qū)平整的斷口，靠近作用區(qū)也有微小裂縫，由此說(shuō)明最終得到的剪切強(qiáng)度不只由作用區(qū)提供，靠近作用區(qū)也提供部分強(qiáng)度。

2.3 軌道剪切試驗(yàn)結(jié)果

高聚物材料的剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：q為剪切強(qiáng)度，kPa;Fm為極限荷載，N;L、b分別為試件長(zhǎng)、寬，mm。

剪切模量計(jì)算公式為

式中：G為剪切模量，kPa;t為試件厚度，mm;k為斜率，N/mm。

采用軌道剪切法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，大量試件因膠結(jié)劑的黏結(jié)力不足而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效，試驗(yàn)成功率較低，數(shù)據(jù)較少，且比較離散。因此，選擇試驗(yàn)結(jié)果較好的試樣，根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)繪高聚物密度與剪切強(qiáng)度和剪切模量關(guān)系圖，見圖10。從圖10可以看出，高聚物注漿材料的剪切強(qiáng)度與模量同樣隨著密度的增大而增大，但試件體積較大，在成型時(shí)其在厚度與長(zhǎng)度方向上密度分布不夠均勻，導(dǎo)致高聚物試件各部位抗剪切能力不同，從而使部分試件破壞時(shí)斷裂面的角度與加載方向不一致。

2.4 各種方法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

考慮到軌道剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少且結(jié)果離散，在此僅對(duì)比圓筒扭轉(zhuǎn)和圓板0°加載試驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示，圓板0°加載試驗(yàn)和圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)剪切強(qiáng)度與密度均為線性正相關(guān)關(guān)系，但圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果略小于圓板0°加載試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 圓筒扭轉(zhuǎn)剪切破壞過程分析

從不同角度對(duì)3種高聚物剪切性能測(cè)試方案進(jìn)行了對(duì)比（見表1），結(jié)果顯示，同樣密度下不同測(cè)試方法測(cè)得的高聚物剪切強(qiáng)度和剪切模量不同，圓板0°加載試驗(yàn)剪切強(qiáng)度最高，圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)剪切模量最高。另外，軌道剪切試驗(yàn)試件測(cè)試失敗率較高，試驗(yàn)過程中經(jīng)常因膠結(jié)劑先剝離而試樣破壞;圓板0°加載試驗(yàn)試樣須為薄片，對(duì)高聚物材料來(lái)說(shuō)加工困難，測(cè)試結(jié)果容易出現(xiàn)誤差，而圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)原理明確，試樣容易制備，過程易控制。可以得出，圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)更適用于評(píng)估高聚物剪切性能，且試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

通過以上研究確定了將圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)作為高聚物剪切性能測(cè)試方式，分析了不同密度高聚物材料扭轉(zhuǎn)角度與扭矩的關(guān)系，如圖12所示，不同密度高聚物注漿材料在不同加載力作用下具有不同的變形特性，顯然高密度試件鋒齒狀波動(dòng)少，說(shuō)明產(chǎn)生的裂縫少，受力較大時(shí)會(huì)直接斷裂，因?yàn)楦呙芏仍嚰?nèi)部孔隙較少，結(jié)構(gòu)致密，而低密度試件（0.15 g/cm3）在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生大量細(xì)小裂紋，這些裂紋在發(fā)展過程中會(huì)吸收一定能量，使試件變形增大，說(shuō)明低密度試件具有一定的剪切韌性。還可以看出，密度越大，鋒齒狀波動(dòng)處扭矩下降幅度越大，說(shuō)明材料越偏向于脆性斷裂。

3 微觀變形和破壞機(jī)理分析

為了進(jìn)一步研究高聚物注漿材料的剪切變形和破壞機(jī)理，采用型號(hào)為JSM-7500F的掃描電子顯微鏡對(duì)3種不同密度試件的破壞斷口進(jìn)行微觀形態(tài)觀察（見圖13）。

從圖13可以看出，高聚物注漿材料由一系列封閉胞體組成，隨著高聚物密度的增大，胞體尺寸逐漸減小，并且越來(lái)越分散，由不規(guī)則多邊形慢慢趨于圓形。根據(jù)能量最低原理，胞體表面存在表面能和界面張力，低密度高聚物胞體大，表面能也大，體系不穩(wěn)定;而高密度高聚物材料胞體小，接觸面積小，表面能也較小，體系更為穩(wěn)定，從微觀和能量的角度解釋了高聚物注漿材料密度越大，強(qiáng)度越高。為了更清晰地觀察剪切形變特性，將圖13（c）橢圓形標(biāo)注的區(qū)域放大500倍發(fā)現(xiàn)，放大的區(qū)域內(nèi)胞體發(fā)生明顯的形變，形變方向大致相同，這是扭轉(zhuǎn)壓縮應(yīng)力造成的，與孔洞接觸的胞體變形量較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，說(shuō)明剪切破壞一般起始于高聚物注漿材料內(nèi)部的孔洞缺陷處，這進(jìn)一步證明了壓縮應(yīng)力是胞體變形甚至破壞的主要原因，胞壁的破壞為試件整體快速破壞提供了前提條件。

4 結(jié) 論

結(jié)合高聚物材料的特點(diǎn)，選擇圓筒扭轉(zhuǎn)、圓板0°加載和軌道剪切試驗(yàn)作為高聚物剪切性能測(cè)試方法，研制了試驗(yàn)所需的試樣注漿成型模具，并制備試樣，測(cè)試了高聚物注漿材料的剪切力學(xué)參數(shù)，結(jié)論如下：

（1）從試件制備、試驗(yàn)過程、測(cè)試精度等方面比較發(fā)現(xiàn)，在3種高聚物材料剪切性能測(cè)試方法中，圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)試件制備簡(jiǎn)單，易操作，密度易控制，結(jié)果較保守，更適合高聚物剪切性能測(cè)試。

（2）從圓筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果可得，高聚物材料的剪切強(qiáng)度隨著密度的增大而增大，當(dāng)其密度從0.15 g/cm3增大到0.57 g/cm3時(shí)，其剪切強(qiáng)度從0.43 MPa增大到4.58 MPa，剪切模量從5.25 MPa增大到77.53 MPa，主要原因是高密度試件更加致密，內(nèi)部孔隙較少，胞體結(jié)構(gòu)更小，體系更加穩(wěn)定，且隨著密度的增大材料偏向于脆性斷裂。

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【責(zé)任編輯 張華巖】