聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的特性及影響因素

2023年12月2日發(fā)(作者：遷徙的意思)

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水力發(fā)電　第３６卷第５期　２０１０年５月　聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的　ｆ￣Ｊ－＇ｌ生及影響因素　－甘啟蒙　（西安林產(chǎn)化學(xué)工廠，陜西西安　７１００７７）　摘要：通過介紹聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的試驗(yàn)方法，分析了壓縮模量的特性及影響因素。分析結(jié)果表明：　聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的特性近似于彈性材料的非線性曲線：試驗(yàn)方法、聚氨酯軟木墊層材料的容重和粒度　均對壓縮模量有影響。　關(guān)鍵詞：聚氨酯軟木；鋼蝸殼；墊層材料；壓縮模量　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ　Ｃｏｒｋ　Ｃｕｓｈｉｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｇａｎ　Ｑｉｍｅｎｇ　（ｘｉ　ａｎ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｌａｎｔ．Ｘｉ＂ａｎ　Ｓｈａａｎｘｉ　７１００７７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ（ＰＵ）ｃｏｒｋ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ＰＵ　ｃｏｒｋ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａ１　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ　ｃｏｒｋ；ｓｔｅｅｌ　ｓｐｉｒａｌ　ｃａｓｅ；ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　中圖分類號：ＴＵ５３１．１４；ＴＶ７４１　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ　文章編號：０５５９—９３４２（２０１０）０５—００８２—０３　０引言　層材料的主要力學(xué)參數(shù)——壓縮模量的特性及影響　因素進(jìn)行分析。　墊層蝸殼是我國大中型水電站主要采用的結(jié)構(gòu)　形式之一。設(shè)置墊層的一種理念是通過墊層材料減　少鋼蝸殼向外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)傳遞內(nèi)水壓力，充　分發(fā)揮鋼襯的承載力。改善外圍鋼筋混凝土的應(yīng)力　狀態(tài)．提高其抗裂安全度ｌ１ｌ。另一種理念是讓墊層材　１聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的特性及試　驗(yàn)方法　軟木是栓皮櫟樹的木栓質(zhì)部分（栓皮），因質(zhì)地　輕軟富有彈性又俗稱軟木。聚氨酯軟木制品是由栓　皮經(jīng)粉碎、篩分、風(fēng)選所得到的純凈軟木粒，與優(yōu)　質(zhì)彈性體樹脂聚氨酯膠結(jié)、固化、切片及成型而制　料起定量調(diào)節(jié)鋼蝸殼和外圍鋼筋混凝土分擔(dān)內(nèi)水壓　力比例的作用。墊層材料的物理力學(xué)性能直接關(guān)系　到鋼蝸殼與外圍鋼筋混凝土分擔(dān)內(nèi)水壓力比例的大　小嘲。水電站鋼蝸殼外包墊層材料的主要力學(xué)參數(shù)是　壓縮模量，據(jù)此確定墊層的物理參數(shù)，計(jì)算鋼蝸殼　的內(nèi)水壓力傳遞給＃１－包鋼筋混凝土的比例。當(dāng)鋼蝸　殼受水壓膨脹變形時(shí)，墊層材料受壓縮，按照設(shè)計(jì)　得。為求得聚氨酯軟木墊層材料非線性彈性壓縮模　量，需進(jìn)行墊層材料的加載試驗(yàn)。　（１）取容重為２　４００　ｋＮ／ｍ　、軟木粒度為８～１２　目（即８目的篩下物，１２目的篩上物。以下類同）、　厚度為３０　ｍｌＴｌ的墊層材料，首先成型為３０　Ｃ１ＴＩ：的圓　要求傳遞內(nèi)水壓力，并吸收、衰減振動(dòng)。當(dāng)水頭下　降，壓力變小時(shí)，仍需墊層材料回彈傳遞內(nèi)水壓力。　這就要求墊層材料壓縮回彈性好，殘余變形小，而　且力學(xué)性能需要長時(shí)間穩(wěn)定。本文就聚氨酯軟木墊　收稿日期：２０１０—０２—２３　作者簡介：甘啟蒙（１９５７一），女，四川內(nèi)江人，高級工程師，長　期從事軟木制品研發(fā)及經(jīng)營管理工作．　圈Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．５　第３６卷第５期　甘啟蒙：聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的特性及影響因素　形試樣，放人內(nèi)徑為６．１８　ｃｍ的上壓力盒內(nèi)，試驗(yàn)加壓　采用三聯(lián)固結(jié)儀。在實(shí)驗(yàn)前對該儀器進(jìn)行率定。用　砝碼加載，用百分表測變形量，用時(shí)鐘計(jì)時(shí)。最大　加壓為０．８　ＭＰａ，級差為０．２　ＭＰａ，試驗(yàn)加載次數(shù)為　２０次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表１。　表１不同壓應(yīng)力下的試樣應(yīng)變　％　（２）根據(jù)反復(fù)加、卸載試驗(yàn)結(jié)果，確定墊層長　期工作狀態(tài)下（即加、卸載次數(shù)ｎ一。。）卸載至零　的殘余應(yīng)變，以及各加載次數(shù)所得的應(yīng)變。根據(jù)共　凡次（　＝２０）加載后，再卸載至零所得到的殘余應(yīng)　變值　可作出加載次數(shù)凡一西曲線（見圖１）。同　理，根據(jù)各加載次數(shù)所得的應(yīng)變ｓ　，可作出ｎ—　曲　線。平行縱軸作ｎ一　及　一　曲線的漸近線，即可　得到　一　時(shí)的殘余應(yīng)變　及總應(yīng)變　（見表２）。　爵　１４１５ｌ６１７ｌ８１９　２Ｏ　２ｌ　２２　２３　２４　２５　２６　２７　２８　２９　３０　３１　３２　／％　圖１　循環(huán)次數(shù)一殘余應(yīng)變曲線　表２墊層特征值　由表１可求得第２０次加載后的應(yīng)力、應(yīng)變值，　作出應(yīng)力一應(yīng)變曲線（見圖２），各應(yīng)力段對應(yīng)曲線　的斜率即壓縮模量值。由圖２可知，聚氨酯軟木墊　層材料的壓縮模量特性是近似于彈性材料的非線性　曲線。隨著壓力的增大，其應(yīng)變也在增大，非線性　壓縮模量也在增大。　應(yīng)力／ＭＰａ　圖２應(yīng)力一應(yīng)變曲線　對聚氨酯軟木墊層材料在有側(cè)限條件下的試驗(yàn)　結(jié)果表明，最大加壓為０．８５　ＭＰａ、容重在２　８００～　３　４００　ｋＮ／ｍ　變化時(shí)，其非線性彈性工作有效壓縮模　量為３．６～５．２　ＭＰａ，殘余應(yīng)變?yōu)椋埃埃叮贰埃保病＿@種特　征值的聚氨酯軟木墊層適合作傳力墊層，并已經(jīng)在　李家峽、公伯峽、拉西瓦等電站實(shí)際運(yùn)用。由表２　墊層的特征值可見，若選取容重小、較厚的聚氨酯　軟木墊層材料，其壓縮模量小，殘余變形大，不適　合作傳力墊層，可作減力墊層。　由于各工程條件不同，選用的墊層材料不同。　有的電站要求墊層傳力；有的電站則要求通過墊層　減少傳力，改善外圍鋼筋混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，提高　其抗裂安全度。因此，設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行材料的力學(xué)性　能試驗(yàn)．以便準(zhǔn)確進(jìn)行設(shè)計(jì)．或選用成熟配方生產(chǎn)　的、經(jīng)過測試驗(yàn)證的墊層材料。　２影響聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的因素　２．１　軟木粒度對壓縮模量的影響　聚氨酯軟木墊層材料的彈性主要取決于軟木粒　的彈性。因其細(xì)胞的空隙率為７５％～８０％。里面充滿　了空氣。粒度大，細(xì)胞的空隙總量多，細(xì)胞空氣受　壓縮后，產(chǎn)生的回彈力大。對兩組軟木粒度不同的　聚氨酯軟木墊層材料試樣進(jìn)行試驗(yàn)，樣１用８～ｌ２目　（簡稱“１２目”）軟木粒，樣２用６～８目和８～１２目　（簡稱“８目＋１２目”）軟木粒各５０％，試樣容重　均為２　１００　ｋＮ／ｍ　。對試樣進(jìn)行５級（最大加壓為　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｕｗ　．３６．／Ｖｏ．５固　量＼刪　好　幺互＆　Ｌ　Ｌ　Ｌ　Ｌ　載荷級別　圖３不同粒度材料的壓縮模置曲線　０．９１　ＭＰａ，級差為０．１８２　ＭＰａ）加卸、載試驗(yàn)，壓　縮模量隨載荷級別變化見圖３。１２目和８目＋１２目　的第５級的殘余應(yīng)變分別為１５％、１３．２％。　由圖３可見．粒度１２目＋８目比粒度１２目試樣　的壓縮模量大、殘余應(yīng)變小。即粒度大．壓縮模量　增大，回彈性好，殘余應(yīng)變小。　２．２軟木容重對壓縮模量的影響　聚氨酯軟木墊層材料的壓縮模量與其容重密切　相關(guān)。下面的兩組試驗(yàn)，其容重分別為２　７００、　３　２００　ｋＮ／ｍ　，軟木粒度為８～１２目。最大加載為１．４３　ＭＰａ，級差為０．１１　ＭＰａ，共ｌ４級。加、卸載次數(shù)為　５次，得出對比試驗(yàn)結(jié)果見圖４　圖４不ｌ司容重材料的壓縮模置曲線　由圖４可見，容重增大，壓縮模量增大。通過　調(diào)整軟木顆粒的級配和聚氨酯用量改變墊層材料的　容重，可以達(dá)到調(diào)整墊層壓縮模量的目的。　２．３壓縮次數(shù)對壓縮模量的影響　水電站在不同的季節(jié)，庫水位會變化。隨著水　頭的變化，蝸殼的內(nèi)水壓力會變化。對鋼蝸殼外包　的墊層材料，承受長期的變載負(fù)荷，必然產(chǎn)生疲勞　徐變。實(shí)際應(yīng)用中要求材料的疲勞徐變越小越好，　墊層材料一旦埋入混凝土中就是幾十年．希望墊層　材料能長期保持其力學(xué)性能的穩(wěn)定。因此．作墊層　材料測試時(shí)，不能只作一次逐級加載試驗(yàn)就確定它　的壓縮模量值，而必須反復(fù)進(jìn)行多次逐級加、卸載　圜Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．５　試驗(yàn)來確定，才能滿足工程實(shí)際需要。　壘＼刪輜姆醴　由表１可求得。第一次加載的壓縮模量值為　＆　＆互互互互　１．８７　ＭＰａ．第２０次反復(fù)加、卸載的壓縮模量值為　１．６８　ＭＰａ。可見，反復(fù)加、卸載后壓縮模量變小。　根據(jù)拉西瓦等電站墊層材料的實(shí)際檢測情況，　推薦以２０次逐級加、卸載檢測數(shù)據(jù)來確定壓縮模量　值為宜　２．４測試時(shí)有無側(cè)限對壓縮模量的影響　聚氨酯軟木墊層材料粘貼在鋼蝸殼外表面，是　一塊緊挨著一塊粘貼的，墊層材料外包鋼筋混凝土。　蝸殼受內(nèi)水壓力膨脹時(shí)，壓縮墊層材料，使聚氨酯　軟木墊層材料的側(cè)邊受到相互的擠壓限制，可視作　有側(cè)限。因此在試驗(yàn)時(shí)，試樣應(yīng)成型為３０　ｅｍ　的圓　形試樣，放入內(nèi)徑為６．１８　ｃｍ的上壓力盒內(nèi)，這樣　測試的結(jié)果更接近水電站的實(shí)際運(yùn)行情況。　拉西瓦水電站所用聚氨酯軟木墊層材料的測試　即是在有側(cè)限的條件下，用２０次逐級加、卸載檢測　結(jié)果計(jì)算的壓縮模量值。　３結(jié)語　通過介紹聚氨酯軟木墊層材料壓縮模量的試驗(yàn)　方法，分析了壓縮模量的特性及影響因素。根據(jù)試　驗(yàn)結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：　（１）聚氨酯軟木墊層材料的壓縮模量特性是近　似于彈性材料的非線性曲線。隨著壓力的增大，應(yīng)　變增大．非線性壓縮模量也在增大。這種非線性壓　縮模量的變化是有規(guī)律可循的。　（２）聚氨酯軟木墊層材料的容重及軟木的粒度　對壓縮模量均有影響。容重大，壓縮模量增大，殘　余變形減小。軟木粒度大，壓縮模量增大，回彈性　好，殘余變形減小。用作水電站鋼蝸殼外包墊層材　料的粒度以６～１２目為宜。　（３）試驗(yàn)方法對聚氨酯軟木墊層材料的壓縮模　量的計(jì)算結(jié)果有影響。推薦進(jìn)行有側(cè)限，２０次逐級　加、卸載試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來確定壓縮模量值。　（４）由于各工程條件不同，選用墊層材料不同，　設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行材料的力學(xué)性能試驗(yàn)，以便準(zhǔn)確進(jìn)行　設(shè)計(jì)，或者選用成熟配方生產(chǎn)的、經(jīng)過工程測試驗(yàn)　證的墊層材料。　參考文獻(xiàn)：　［１］付洪霞，馬震岳，董毓新．水電站蝸殼墊層結(jié)構(gòu)研究［Ｊ］．水利　學(xué)報(bào)，２００３，３４（６）：８５—８９．　［２］甘啟蒙．聚氨酯軟木墊層材料在水電站的應(yīng)用［Ｊ］．水力發(fā)電，　２００８，３４（１２）：１０７—１０９．　（責(zé)任編輯周曉蔚）　

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