抗水性能（精选7篇）
抗水性能 篇1
Superflex改性沥青是一种仅仅采用简单的机械搅拌就能制作的改性沥青。它是一种新型的高分子聚合物改性沥青, 通过将Superflex浓缩改性沥青掺配到基质沥青中制成。
沥青路面的水损害主要表现为沥青与集料之间的粘结性能丧失以及沥青膜从集料表面脱落。其产生的根源在于水, 雨水或施工时集料中未充分干燥而残留的水分, 都是水损坏现象中水的来源。下面将通过沥青混合料的浸水马歇尔试验和劈裂冻融试验对Superflex改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的抗水害能力进行比较分析研究[2,3]。
1 试验材料及级配
1.1 沥青
试验中选用了国产泰州70号基质沥青、Superflex改性沥青 (国产TZ70号基质沥青∶Superflex浓缩改性沥青=85∶15) 、SBS改性沥青进行试验。
1.2 集料
试验中采用的集料为玄武岩。
1.3 配合比设计
沥青混合料试验采用沥青路面常用的表面层类型AC-13。设计级配参考《公路沥青路面施工技术规范》的密集配沥青混凝土混合料矿料级配范围[4]。试验中, 为了减少集料级配偏差对混合料性能的影响, 设计级配采用规范范围的中值, 见表1。
1.4 沥青最佳用量的确定
根据以上配合比, 确定最佳用油量。参照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》进行体积法压实沥青混合料密度试验[5], 试验结果见表2, 表3。
注:试件的理论最大相对密度采用真空法测定
以4%空隙率对应的油石比为最佳油石比:4.9%, Va=4.0%, ρ=2.245 g/cm3, 按此配合比进行混合料性能试验。
注:试件的理论最大相对密度采用真空法测定
以4%空隙率对应的油石比为最佳油石比:4.9%, Va=4.0%, ρ=2.239 g/cm3, 按此配合比进行混合料性能试验。
通过上面的马歇尔试验配合比设计结果可知, TZ70号+15%Superflex改性沥青混合料的最佳沥青用量为4.9%, TZ70号+SBS改性沥青混合料的最佳沥青用量为4.9%。两种沥青在最佳沥青用量时的马歇尔试验结果见表4。
2 沥青混合料对比试验
2.1 浸水马歇尔试验
沥青路面的水损害主要由于排水不畅导致路面积水, 路体长期处于水中, 水从表面下渗到下面层、基层等原因导致各结构层强度的下降, 造成结构层的永久变形。
本试验参照JTJ 052-2000对沥青混合料进行浸水马歇尔试验[5], 采用符合GB/T 11823沥青混合料马歇尔试验仪技术要求的沥青混合料马歇尔试验仪, 用计算机或X—Y记录荷载—位移曲线, 并具有自动测定荷载与试件垂直变形的传感器、位移计, 能自动显示或打印试验结果。具体试验结果见表5。
2.2冻融劈裂试验
按规程JTJ 052-2000中的T 0729-2000, 试验机应能保持规定加载速率, 笔者选用了马歇尔试验仪。试件用马歇尔击实仪双面击实50次, 通过测定试件经过16 h的-18℃冷冻后又经24 h的60℃的恒温后在25℃水温下的劈裂试验得到的最大破坏荷载, 计算未进行冻融循环的试件以及经冻融循环后的试件的劈裂抗拉强度, 从而算得冻融劈裂试验强度比, 通过该指标对沥青混合料的水稳定性进行评价。Superflex改性沥青混合料以及SBS改性沥青混合料冻融劈裂试验结果见表6。
3试验结果分析
由表5可以看出, Superflex改性沥青混合料的试件动稳定度与试件浸水48 h稳定度都高于泰普克SBS改性沥青混合料, 残留稳定度也高于泰普克SBS改性沥青混合料。也就是说, 标准尺寸试件在规定温度和荷载、加荷速度下, 在浸水48 h后, 当试件发生破坏时, Superflex改性沥青混合料试件能承受更大的荷载, 从而说明了Superflex改性沥青混合料的水稳定性优于泰普克SBS改性沥青混合料。
从表6可以看出, 掺加改性剂Superflex后, 沥青混合料试件在未进行冻融循环以及进行冻融循环后的冻融劈裂强度稍低于泰普克SBS改性沥青混合料, 但相差不多, 可认为近似相等;Su-perflex改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比高于泰普克SBS改性沥青混合料, 这表明Superflex改性沥青混合料的水稳定性优于SBS改性沥青混合料。
4结语
通过对Superflex改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验, 将二者的试验结果进行对比, 可得出如下主要结论:1) 沥青中添加改性剂Superflex后, 与SBS改性沥青混合料在同样高温、同样荷载作用下相比, 降低了沥青混合料的变形, 即达到相同的变形, 可承受较大的荷载, 从而改善了沥青混合料的水稳定性能;2) 掺加改性剂Superflex后, 改性沥青混合料试件的冻融劈裂抗拉强度比高于SBS改性沥青混合料, 表明Superflex改性沥青混合料的水稳定性优于SBS改性沥青混合料;3) 对于重庆地区多雨的气候特点, Superflex改性沥青具有优于SBS的抗水损害性能, 并且制备工艺简单, 时间较短, 性价比较高, 将它在高温多雨地区推广应用是一个值得研究的问题。
摘要：通过浸水马歇尔试验和劈裂冻融试验, 对Superflex改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的抗水损害性能进行了对比试验, 研究结果表明:Superflex改性沥青混合料的抗水损害性能优于SBS改性沥青混合料, 为Superflex改性沥青在高温多雨地区的推广应用奠定了基础。
关键词：Superflex改性沥青,抗水损害性能,对比试验
参考文献
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[3]李小青, 范薇.沥青路面水损害及其防治措施的研究[J].中国市政工程, 2006 (10) :77-78.
[4]JTJ F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].
[5]JTJ 052-2000, 公路工程沥青及沥青混合料实验规程[S].
抗水性能 篇2
关键词：水泥,沥青混合料,机理,抗水损害
0前言
针对海南地区一些高速路在建成通车后不久, 短短的几个月时间, 或者2～3年就出现水损害。如何改进沥青混合的抗水损害能力, 以成为海南道路界关注的问题。目前改进沥青混合料抗水损害能力的办法主要有三种:添加消石灰代替一定的矿粉;添加水泥代替一定矿粉;添加抗剥落剂。对于采用消石灰的办法, 一方面由于缺乏消石灰在高速公路上大量使用的技术标准, 消石灰的质量不便于控制;另一方面, 海南地区没有供应消石灰的市场。对于采用抗剥落剂的办法, 一方面由于其造价贵, 另一方面, 抗剥落剂的长期粘附性较差, 加上近来许多专家提出抗剥落剂使用后的短期粘附性也不甚理想。通过水泥改进沥青混合料水损害[1]。
1水泥增强粘结力的作用机理
沥青混合料的水损害是指沥青路面在水存在的条件下, 经受行车荷载和温度胀缩的反复作用, 水分逐步浸入到沥青与集料的界面上, 同时由于水动力的作用, 沥青膜渐渐地从集料表面剥离, 并导致集料之间的粘结力丧失而发生路面破坏的过程[2]。通过水泥改进沥青与集料的粘附性机理如下:由于水泥的pH>12呈强碱性, 而沥青中含有少量羧酸 (carboxylic) 与亚砜 (sulfoxide) , 使沥青呈弱酸性, 所以当水泥均匀分布到沥青混合料中时, 水泥与沥青就会发生反应而生成具有较强吸附性的产物, 这些产物能牢固地粘附在集料表面而不剥落, 由此也就提高了沥青混合料的水稳定性;另一方面能使集料表面活化, 降低集料表面的负电荷, 降低表面能, 而表面能小的集料不与氢键结合, 从而使集料表面更不易被水所浸润, 提高了集料与沥青间抵抗水剥离的能力。
2原材料的性能及级配要求
2.1 原材料检测
2.1.1 沥 青
混合料结合料采用壳牌70#基质沥青, 根据文献[3]中的试验方法对原材料进行检测, 其性能指标检测结果见表1。
2.1.2 集料、矿粉以及水泥
集料为0～3、3～7、7～12、12～16的四档花岗岩。对其各项性能指标的测试结果列于表2～3。矿粉采用石灰岩磨细的矿粉, 水泥采用海南地区秦岭牌P.O42.5, 其各项性能指标满足规范的相关要求。
2.2 混合料级配要求
根据文献5的要求对原材料进行级配设计, 经计算矿料比例为:12～16 mm∶7～12 mm∶3～7 mm∶0～3 mm的矿粉为26%∶27%∶18.2%∶24%∶4.8%, 调整出的级配见表4。
3试验方案和方法
在AC-13C混合料目标配合比确定的基础上, 将水泥以33.3、66.6、4.8%的3种比例等量取代矿粉, 矿料中矿粉含量为4.8%, 则水泥分别占矿料总量的1.6、3.2、4.8%。通过水泥取代矿粉后的最佳油石比, 是在对比组最佳油石比的基础上, 增大油石比变化范围, 再由马歇尔试验结果综合确定[4], 试验结果见表5。在对比组和水泥取代后的AC-13C混合料目标配合比确定后, 按JTJ052-200《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[3]规定的方法分别成型试件进行马歇尔试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验。
4试验结果分析
4.1 浸水马歇尔试验检测和分析
水泥部分或全部取代矿料后, 尽管矿料级配未发生改变, 但改变了沥青用量, 也就在一定程度上改变了混合料的内部结构组成。按JTJ052-200《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[3]规定进行AC-13C混合料的马歇尔试验。结果见表5。
从表5看出, AC-13C混合料中的矿粉被水泥取代后, 混合料的体积参数及力学特性均有不同程度的变化。添加一定的水泥, 有使AC混合料的密实度提高、空隙率减小的趋势。水泥取代矿粉后AC-13C混合料的马歇尔稳定度有显著提高。在取代量为3.2%时马歇尔稳定度达到最大值15.53kN, 比未取代的马歇尔稳定度提高了17.3%。随水泥取代矿粉量的增加, 流值逐渐增大, 这表明, 水泥取代矿粉后可能会提高AC混合料的低温抗裂能力, 进而提高混合料的耐水性能。从表5看出, 沥青混合料的浸水残留稳定度随着水泥掺量的增加而逐步提高。当水泥掺量为4.8%时, 出现了残留稳定度大于100%的现象, 这是由于水泥的水化反应随着浸水时间的增加, 而变得充分, 从而增加了整个混合料的强度。
4.2 冻融劈裂试验
对表5中的混合料类型, 分别进行浸水马歇尔实验。实验结果如下表6。
试验结果表明, 添加水泥能明显提高沥青混合料的水稳定性, 并且其冻融劈裂强度比 (TSR) 随着水泥掺量的增加而显著提高, 冻融循环前的劈裂强度则变化不大。然而, 当水泥掺量为4.8%时, 虽然沥青混合料的TSR值最高, 但是它在冻融循环前后的劈裂强度却都下降了, 故这不能说明其水稳定性好。也就是说, 对于提高沥青混合料的抗水损害性能而言, 水泥的掺量存在着最佳值。
另外, 当水泥掺量为0、1.6、3.2、4.8%时, 所测出的沥青混合料的空隙率分别为6.4、7.2、7.4、8.5%。说明, 随着水泥掺量的增加, 沥青混合料的空隙率也较大。这是因为水泥的比表面积较大, 其吸附能力要强于矿粉, 当它的掺量较大时就会吸附大量沥青, 使沥青混合料变干, 变硬, 难以压实, 空隙率变大, 从而导致沥青混合料的粘结力降低, 劈裂强度减小[5]。
5结 语
通过对不同掺量水泥的沥青混合料进行抗水损害性能实验, 说明水泥可以改善沥青与集料的粘附性, 提高沥青混合料的水稳定性。对于海南地区采用AC-13C混合料而言, 建议, 水泥的最佳掺量为其占沥青混合料总质量的2～4%。不同级配混合料的水泥掺量需要通过试验来确定, 一般不能超过5%。 [ID:6673]
参考文献
[1]范传斌, 罗炼, 齐文喆.掺水泥沥青混凝土粘附性试验及工程实践[J].广东公路交通, 2004, (1) :17-19.
[2]姚立阳, 张振华.沥青混凝土路面水损害机理及其防治措施[J].平顶山工学院学报, 2008, 17 (2) :73-74.
[3]JTJ052-2000, 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
[4]艾长发, 陈炯, 刘东, 等.提高花岗岩沥青混合料水稳定性措施研究[J].中南公路工程, 2007, 32 (3) :16-20.
抗水性能 篇3
1 实验内容
①观察硫酸铜去除水藻生物的效果及对水中生物的影响,找出抑制藻类生长的有效剂量。
②通过改变水藻生物的生存环境观察抑制藻类繁殖的情况。
③观察去除水藻生物的硫酸铜有效剂量对水中生物的影响。
2 试验条件
①试验用水取自同一时间的水藻生物原水。
②取十二个100mL烧杯,分为两组,第一组仅加入100mL的天然水;第二组加入100mL天然水,并投入0.025g磷酸二氢钾,并使其完全溶解。
③试验用试剂:硫酸铜为分析纯,磷酸二氢钾为分析纯。
④试验用水藻生物为水塘捞出的新鲜浮萍和藻类。
⑤试验在室外阳光照射下进行。
3 试验方法
①用滴管吸到藻,再滴加到各个烧杯中,尽量保持滴加的藻的量大致相同。静置两天,使藻类适应新的环境。再投放硫酸铜,使各个烧杯中的硫酸铜浓度如表1所示。观察藻类的生长情况。
②先选取如表2的硫酸铜浓度梯度,用天然水配制相应浓度的硫酸铜溶液,分别取100mL到100mL烧杯中,再分别加入8片浮萍。观察浮萍的变化,得出灭藻的最低浓度区间,再在此区间内逐步缩小梯度,以得出更精确的区间。若浮萍的生长情况说明硫酸铜对水生生物的生长有抑制作用,则进行藻类的实验。
4 结果与讨论
①不同浓度的硫酸铜对浮萍的影响
浮萍在含有不同浓度的硫酸铜的烧杯中生长一段时间后,各烧杯中的浮萍生长情况不同,主要表现在数量和水下根系的生长情况的不同,见图1和图2。
从图中可以看出,浮萍数量和水下根系的长度都基本符合1>2>3>4>5,1、2、3中的水呈浅绿色,4中基本透明,而5中因铜离子浓度较高呈淡蓝色,说明了浮萍的生长情况随硫酸铜的浓度的增大而受到抑制,而4、5中的浮萍的基本没有水下根,说明硫酸铜的浓度为15mg/L时,浮萍的生长已明显受到了抑制。因此推断,最低浓度抑制浮萍生长的硫酸铜的浓度应在3、4浓度之间,即在1.5～15mg/L的区间内。
②不同浓度的硫酸铜对藻类生长的影响
藻类在含有不同浓度的硫酸铜的烧杯中的生长的情况也有不同,我们选择水藻进行实验,实验结果见图3—图5。
第一组中水藻生长所有的水取自水塘,第二组则在取自水塘的水中加入了0.025g磷酸二氢钾(含量为0.25mg/L),两组中各烧杯中的硫酸铜含量分别为:1号,0 mg/L;2号,0.5 mg/L;3号,1.0 mg/L;4号,1.5mg/L;5号,2.0 mg/L;6号,2.5 mg/L;7号,0 mg/L;8号,0.5 mg/L;9号,1.0 mg/L;10号,1.5 mg/L;11号,1.5mg/L;12号,2.5 mg/L。由图中观察对比,可以看出。第一组基本都呈浅黄色,而第二组中都呈浅绿色,说明第二组生长比第一组好,原因可能是第二组中加入了磷酸二氢钾,而磷酸二氢钾中含有磷、钾等元素,对藻类的生长起促进作用。
第一组中除了1、2号呈黄绿色,3-6号均为黄色,从1号到6号颜色逐渐变浅变淡,应该是藻类的生长受到了硫酸铜的抑制,而且随硫酸铜的浓度增大而生长受到抑制越明显。
第二组中从7号到12号,藻类的数量依次有所降低,可能是由于铜离子浓度增加所致。
总体来说,硫酸铜对藻类等水生生物的生长有一定的抑制作用,且随铜离子浓度的增加,抑制作用增强。
5 结论
①硫酸铜对浮萍的生长有一定的抑制作用,并随硫酸铜浓度的升高抑制作用越强,最低的抑制浓度范围在1.5mg/L～15mg/L之间。
②硫酸铜对水藻的生长有一定的抑制作用,并随硫酸铜浓度的升高抑制作用越明显,磷酸二氢钾对藻类的生长有一定的促进作用。
6 建议
藻类问题仍然是困扰供水水质的一大难题,通过试验和生产实际应用,采用硫酸铜及改变水的pH值可以达到去除水中藻类,降低甚至消除水腥味的效果。在今后的生产应用中应着手以下工作:
①投加硫酸铜和调节pH值同步进行。藻类的生活环境和水中的pH值有密切的关系,pH值越低,藻类的繁殖越慢。
②严格控制残余铜对水质的影响,在试验中测定水中铜离子的含量并不高,但随着长期的蓄集,就有可能形成铜污染。
③掌握好硫酸铜的投加时机和投加量。应作好水质的监测,控制投加的时间和投加量,做到适时和适量地投加,保证去除效果。
④硫酸铜并不是对所有的藻类都有显著的抑制效果,需要进一步研究硫酸铜对不同藻类的抑制作用。
参考文献
[1]Jin X C,Liu H L,Tu Q Y.The eutrophication in China lakes[M].Beijing:China Environmental Science Press,1990.[金相灿,刘鸿亮,屠清瑛.中国湖泊富营养化.北京:中国环境科学出版社,1990]
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[3]Zhang W H,Xu X Q,Qiu C Q.Advance in study on micro—cystins in aquatic environment[J].Research of Environmental Sciences,2001,14(2):57-61.[张维吴,徐小清,丘昌强.水环境中微囊藻毒素研究进展环境科学研究.环境科学研究,2001,14(2):57-61]
抗水性能 篇4
聚丙烯酸酯能形成光泽好且耐水的膜, 粘合牢固, 不易剥落, 在室温下柔韧而有弹性, 耐候性好。丙烯酸树脂涂饰剂与天然树脂及其他合成树脂相比, 具有独特的性能, 它与皮胶原结合力强、成膜强度高、富有弹性、耐候性好、耐老化性能优良、成本较低, 赋予皮革良好的物性[1]。但是丙烯酸树脂是热塑性树脂, 其涂膜存在着“热粘、冷脆”、不耐溶剂等缺点, 限制了它的使用[2,3,4]。
氧化石墨烯是一种具有二维层状结构的纳米材料, 表面带有羟基等官能团, 通过自组装技术可与有机物、半导体纳米粒子等复合制备具有特殊性质的功能材料[5]。氧化石墨烯中大量含氧官能团的存在使之具有优异的亲水性和高度的化学可协调性, 易与其他材料复合形成新型纳米复合材料且具有超高强度、超强柔韧性和超高的导热性能, 在高分子材料的增强增韧中有着重要的应用前景[6]。
共混法是指在机械力作用下将纳米粒子直接加入到聚合物基体中进行混合的方法[7]。本文采用共混法将氧化石墨烯用于制备氧化石墨烯/聚丙烯酸酯复合乳液, 从而获得抗水耐湿擦聚丙烯酸酯类皮革涂饰剂。
2 实验部分
2.1 实验材料与试剂
甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、过硫酸铵、十二烷基硫酸钠、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、苯乙烯、二乙烯基苯均为分析纯, 由成都格雷西亚化学技术有限公司提供;鳞片状石墨、浓硫酸 (H2SO4, 98%) 、高锰酸钾 (KMn O) 4、硝酸钠 (Na NO3) 和双氧水 (H2O2, 30%) 均为分析纯, 由陕西华星实验科技有限公司提供。
DYYB-500型超声波材料分散器, 上海德洋意邦仪器有限公司制造;X光衍射仪D/max2200PC, 日本理学公司制造;傅立叶红外光谱仪VECTOR-22, 德国布鲁克公司制造;扫描电子显微镜 (SEM) HITACHI S-4800, 日本日立公司制造;原子力显微镜 (AFM) SPI3800N/SPA400, 日本精工制造;纳米粒度分析仪Nano-ZS, 英国马尔文公司制造。
2.2 氧化石墨烯 (GO) 的制备
冰水浴下, 将1 g鳞片状石墨和1 g硝酸钠加入装有46 m L浓硫酸的烧瓶中, 搅拌中缓慢加入6 g高锰酸钾, 保持5℃以下搅拌反应3 h, 然后升温至35℃反应2 h, 此时烧瓶内呈紫绿色, 加入500 m L去离子水后, 加热至80℃反应30 min后缓慢滴加15 m L双氧水, 溶液变为金黄色, 滴加完毕后继续反应30 min。离心洗涤至用氯化钡检测无SO42-, 调节p H至7.0, 500 W下超声30min后即得分散良好的氧化石墨烯分散液。
2.3 聚丙烯酸酯乳液的制备
在250 m L带有搅拌器、控温设备的四口烧瓶中, 加入80m L蒸馏水、1.7 g十二烷基硫酸钠、0.8 g AEO-9、0.3 g过硫酸铵, 80℃下恒速搅拌30 min后, 分别在三个恒压滴管中加入丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯 (丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯的质量关系见表1) , 1.5 g甲基丙烯酸、2.0 g丙烯酰胺、30 m L蒸馏水, 0.5 g过硫酸铵、30 m L蒸馏水, 恒速滴加, 3 h滴完, 得到丙烯酸酯类乳液。
2.4 聚丙烯酸酯/氧化石墨烯皮革涂饰剂的制备
采用共混法在250 m L带有搅拌器、控温设备的烧瓶中, 加入聚丙烯酸酯类乳液50 g、氧化石墨烯溶液 (分散液的质量浓度为0.5%) , 其用量分别为0.015、0.03、0.045、0.06与0.075, 50℃下恒速搅拌30 min后, 即制成氧化石墨烯/聚丙烯酸酯类乳液。
2.5 测试与表征
2.5.1 固含量测定
用重量法测定, 在质量为M0的表面皿中, 准确称取盛有合成的共聚物乳液的表面皿质量M1, 在50℃真空干燥箱中减压干燥至恒重M2, 固含量按下式计算:
2.5.2 凝胶量测定
反应结束后, 收集搅拌器和反应器壁上的凝聚物及附着物, 洗涤、干燥、称量, 质量记为Wn, 反应中加入的单体总质量记为Wm。凝胶量按照下式计算:
2.5.3 物理力学性能的测定
在干燥的聚合物上取样 (哑铃形, 全长80 mm, 有效长度30mm, 中间宽度5 mm) , 空气调节24 h后用厚度测试仪测量膜的厚度。将试样垂直夹在拉力机上、下夹持器间, 测定涂膜的抗张强度和断裂伸长率 (拉伸速度500 mm/min, 回程速度500mm/min) , 记录断裂时的负荷值。按照以下公式计算抗张强度:
式中:T———抗张强度, N/mm2或MPa;
F———试样断开时读出的最大负荷数, N;
S———断点处的横截面积, mm2。
取样方法如图1。
2.5.4 耐水性测定
将按常规方法制得的膜裁成15 mm×15 mm的正方形试样, 称量后浸没到装满蒸馏水的培养皿 (直径为120~140 mm) 中, 24h后取出试样, 用滤纸轻轻吸去试样表面水份, 立即称量 (准确至0.01 g) 。按照以下公式计算吸水率W:
式中:W———聚合物膜的吸水率, %;
m———吸水后的质量, g;
m0———吸水前的质量, g。
2.5.5 乳液的粒径分析
将氧化石墨烯/聚丙烯酸酯复合乳液与蒸馏水按质量比为1∶100稀释完全后, 用Nano-ZS纳米粒度分析仪测试乳胶粒子的粒径及分布。
2.5.6 乳液的SEM分析
将聚丙烯酸酯乳液、聚丙烯酸酯/氧化石墨烯乳液稀释5000倍, 得到的稀乳液滴在硅片上, 干燥后, 先将导电胶粘结在样品座上, 再将硅片粘结在导电胶上, 喷金观察乳液的形貌。
2.6 氧化石墨烯的结构表征
将质量分数为0.5%的氧化石墨烯纳米分散液用去离子水稀释1000倍后, 滴在单晶硅片上自然干燥后用SPI3800N/SPA400型原子力显微镜测定氧化石墨烯形貌并记录谱图。
氧化石墨烯样品采用KBr压片, 取1~2 mg研细的GO样品与100~200 mg溴化钾粉末在玛瑙研钵中仔细研磨, 高压下压成薄膜, 置于VECTOR-22型傅立叶红外光谱仪的试样架上进行测试, 记录并分析其红外光谱图。
3 结果与讨论
3.1 氧化石墨烯的AFM分析
从图2可以看出, 氧化石墨烯为大小约200~400 nm、厚度约为15 nm的片层分散在水溶液中。结果表明石墨经过氧化和超声波分散后已经达到了近乎纳米级尺寸。
3.2 石墨和氧化石墨烯的FTIR分析
GO和石墨的FTIR谱图见图3, 可以看出二者FTIR谱图明显不同, GO的FTIR中 (图3b) , 3405 cm-1为-OH的吸收峰, 1735 cm-1为-C=O吸收峰, 1250cm-1和1049 cm-1为环氧基-O-吸收峰, 说明石墨 (图3a) 经氧化变成了氧化石墨, GO上含氧基团主要是羧基、羟基等。
3.3 不同单体用量对乳液性能的影响
表2与表3分别为对不同单体用量对乳液性能以及乳胶膜外观的感官分析。可见聚丙烯酸酯乳液制备过程中, 甲基丙烯酸甲酯为硬性单体, 其用量越小, 乳液外观、聚合物稳定性越好, 成膜的弹性、手感、流平性越好, 当丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯的用量分别为40 g、24 g时乳液外观好、稳定性强, 成膜手感、弹性、流平性最佳。
3.4 氧化石墨烯用量对乳液性能的影响
表4显示了不同氧化石墨烯用量对氧化石墨烯/聚丙烯酸酯乳液成膜的影响。由表4可知, 当50 g聚丙烯酸酯类乳液加入0.03 g氧化石墨烯时, 其成膜性能最好, 回弹性、韧性、手感最佳。
3.5 凝胶率以及物理性质测试
聚丙烯酸酯乳胶膜的凝胶率、耐水性及力学性能等测试结果见表5, 聚丙烯酸酯/氧化石墨烯耐水性与力学性能测试结果见表6。
由表5可知, 当丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸甲酯的用量分别为40 g、24 g时乳液凝聚率最低、耐水性最好;表6是在50 g单体质量配比BA/MMA为40/24的聚丙烯酸酯类乳液中加入不同掺量的氧化石墨烯时乳胶膜的性能。由表6可知, 当氧化石墨烯的掺量为0.03 g时, 其耐水性、抗张强度和断裂伸长率最好, 与感官分析的结果一致。可见, 氧化石墨烯改性后的聚丙烯酸酯具有良好的耐水性和物理力学强度。
3.6 乳液粒径分布测试
将氧化石墨烯/聚丙烯酸酯复合乳液 (50 g聚丙烯酸酯类乳液加入氧化石墨烯0.03 g) 与蒸馏水按质量比为1∶100稀释完全后, 用Nano-ZS纳米粒度分析仪测试乳胶粒子的粒径及分布, 其结果如图4所示。由图4可知, 乳液粒径集中分布在150 nm左右。
3.7 乳液的SEM分析
聚丙烯酸酯乳液与聚丙烯酸酯/氧化石墨烯复合乳液的扫描电镜观察形貌如图5所示。其中图5a为聚丙烯酸乳液在透射电镜下的形貌图, 乳液胶粒分布均匀, 胶粒直径大约为110 nm, 可见乳液是均匀的。图5b是聚丙烯酸酯/氧化石墨烯乳液在扫描电镜下的形貌图, 可见加入氧化石墨烯后复合乳液仍然是均匀分散的乳液。
4 结论
采用共混法制备的聚丙烯酸酯/氧化石墨烯乳胶膜的耐水性、抗张强度与断裂伸长率都有所增加, 且耐水性也比纯聚丙烯酸酯乳液膜有较大提高。可见, 氧化石墨烯能够较好地改善聚丙烯酸酯乳液膜的性能, 可望更好地应用于皮革涂饰等领域。
参考文献
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[6]DREYER D R, PARK S, BIELAWSKI C W.The chemistry of graphene oxide[J].Chem Soc Rev, 2010, 39 (1) :228-240.
抗水性能 篇5
关键词：静水压,爆破,深水,浸泡,施压
装药到起爆的时间在大型水下爆破施工中, 通常需要经历漫长的时间, 该过程短则几个小时, 长则几十个小时, 炸药爆炸的性能一般都会受到静水压力和渗流作用的影响, 因此, 水下爆破的效果会受到较大的影响。随着社会的进步, 乳化炸药也得到了迅速的发展, 其性能与工艺都有了较大的改善, 并且, 已经成为了水下爆破施工在现阶段最为适用的产品。因此研究乳化炸药的抗水性能与抗压性能有利于水下爆破工作的展开。
1 实验背景
乳化炸药是泛指一类用乳化技术制备的使氧化剂盐类水溶液的微滴, 均匀分散在含有分散气泡或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中, 形成一种油包水型 (W/O) 的乳胶状含水工业炸药。乳化炸药是含水炸药的一种。
乳化炸药通常都是由硝酸铵等无机氧化剂盐水溶液和油相燃料组分构成的, 一般不含单质炸药。按照炸药起爆时的灼热核 (热点) 理论, 在该类炸药中均匀分布着的无数微小气泡就成为炸药起爆时的灼热点。亦即在外界起爆冲量的机械能作用下被绝热压缩, 机械能转化为热能, 微小气泡不断加热升温, 在10-3~10-5s的极短时间形成一系列温度高达400~600℃的灼热点, 从而激发炸药爆轰。
为了使炸药中产生灼热点, 获得必要的爆、轰敏感度和足够的爆炸能量, 在敏化工序加入载有气泡的材料如珍珠岩、空心玻璃微珠等, 或者加入亚硝酸钠溶液等与乳化炸药中游离硝酸铵反应以生成细小气泡, 从而调节炸药密度, 起到敏化作用。
乳化炸药以往通常用于矿山开采、隧道掘进等, 乳化炸药在设计方面较少考虑到其水下爆破的实际性能, 炸药在一定深度的水下爆破时, 会有水分渗入其中, 影响其爆破效果, 并且, 在水下, 有静水压的存在, 静水压力强度随着水的深度的增加而增加, 炸药在受到静水压的作用之后, 同样会影响其起爆感度和作功能力。因此, 通常需要明确炸药产品的性能, 明确其在一定水压下的起爆感度等性能指标, 为了使乳化炸药在实际应用中具备较详细的使用效果说明, 需对其在水下爆破的情况进行实验研究, 以便于将其投入到生产中。
目前, 炸药抗水性的测定方法可分为模拟实验测定法和现场实测法。现场实测法:在含水炮孔中或是需要爆破的深水中进行实际装药, 浸泡一定时间 (以现场可能发生的最长浸泡时间为准, 如8h等) 后再引爆, 以拒爆与否和爆破效果好坏来相对评价乳化炸药的抗水性。这种测定方法与实际爆破作业的条件保持一致, 测试结果比较符合客观实际情况;但操作比较麻烦, 万一发生拒爆后, 其盲炮处理不易。现有的模拟实验测定法只能测试乳化炸药浸水前后爆炸性能衰减, 无法测定炸药在水压作用的真实条件下起爆感度和爆炸性能, 而在水下爆破工程中发现现有模拟实验测定法判定能正常起爆的乳化炸药在使用过程中常会发生拒爆现象, 因此, 能够真实测定乳化炸药在一定水压作用下起爆感度和爆炸性能的实验装置亟待被开发出来并加以应用。
2 实验方法
在本次研究中, 在实验室中将乳化炸药进行一定水压下进行模拟深水浸泡, 达到设定时间后起爆受压状态下的乳化炸药, 同时也测定经过模拟深水浸泡后解除水压后的乳化炸药、未经模拟深水浸泡的乳化炸药的性能。对比浸泡前后其性能的改变, 以及研究其对爆炸效果的影响程度, 从而判断出乳化炸药的抗水抗压性能。
2.1 实验原理
水下装药一共受到两种压力: (1) 静水表面的大气压; (2) 静水压力。静水表面的压力会对水下装药的压力产生直接影响, 其中, 水的深度越深, 静水压力就会越大, 要想在水深条件不足的情况下做出深水乳化炸药的抗水抗压实验, 可以通过增加静水表面大气压力的方式来实现, 也可以将压力管直接与炸药管相连接, 以达到直接增压来模拟深水测试的目的, 本文就是利用了最后一种原理来进行实验研究。
2.2 实验装置与炸药的选择
本文中应用到的实验装置操作更加快捷简便, 安装过程也比以往的同类装置更加方便。可以将该装置进行多次反复利用, 本文中对爆炸管进行加压的方式有两种选择: (1) 利用空气压缩机对炸药管进行加压; (2) 利用打气筒对炸药管进行加压。在该实验装置中, 实验具体操作如下:
(1) 将待测试的炸药药卷装进爆炸管中。
(2) 将装有炸药的爆炸管与施加压力的管道进行连接, 在连接过程中, 为确保试验的准确性, 要求爆炸管与管道密闭装接, 形成密闭腔体, 同时引出炸药引线等待后续引爆。
(3) 腔体内注水, 注水量淹没药卷后, 封闭注水口。
(4) 利用加压管对闭腔体进行加压, 腔体内乳化炸药所受到的压力应满足实验要求。
(5) 起爆雷管, 引爆待测试炸药, 并观察在模拟深水压力下, 乳化炸药的性能是否正常。图1展示了该结构装置。
本装置的核心在于雷管之导爆管 (或电雷管脚线) 和爆速探针出口处的密封。
在该实验中, 选用A、B两组炸药。A、B两组炸药有相同的水相配方, 但两组炸药的油相材料不同, 采用化学敏化时敏化剂配方也不同。A组炸药第一种是采用a配方化学敏化的乳化炸药 (记为Aa化学敏化) , 第二种是珍珠岩敏华的乳化炸药 (记为A珍珠岩) , 第三种是玻璃微球敏华的乳化炸药 (记为A玻璃微球) ;B组炸药第一种是采用b配方化学敏化的乳化炸药 (记为Bb化学敏化) , 第二种是珍珠岩敏华的乳化炸药 (记为B珍珠岩) ) , 第三种是玻璃微球敏华的乳化炸药 (记为B玻璃微球) 。这两组炸药的生产工艺是相同的, 具有可比性, 我们选用的式样没有经过任何的防水处理, 且均为32mm的小药卷。
2.3 实验方案
(1) 分别测试未经浸水的两组共六种炸药的爆速, 每个样品测2次取平均值;
(2) 将炸药在压力表表压为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa水压下浸水8h, 取出炸药, 观察炸药变化情况, 分别测定爆速, 每个样品测2次取平均值;
(3) 将炸药在压力表表压为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa水压下浸水8h后, 分别测定两组共六种炸药在上述水压作用下的爆速, 每个样品测2次取平均值。
2.4 实验结果
经过8h浸泡后的乳化炸药, 其包裹炸药的蘸有石蜡牛皮纸有变软现象, 药卷外观基本保持原来形状, 但在药卷两端口的乳化炸药出现较为严重的破乳现象, 破乳炸药厚度约为 (2~4) mm左右。
在浸水时间相同的条件下, 两组炸药在静水压力作用下的爆炸性能具有相同特点。对其施加的压力越大, 其爆破性能下降越快, 对其施加的压力越小, 其爆破性能下降越慢。依据实验中的推理, 本文中主要运用对炸药腔体进行施压的方式来模拟乳化炸药在深水环境中的爆破效果, 因此, 在此实验研究中, 对腔体施加的压力越大, 可代表在实际现场爆破过程中, 水的深度越深, 这就可以说明, 在实际现场爆破的过程中, 乳化炸药的性能会随着水的深度的增加而降低。两组六种炸药的测定结果见表1。
3 结论与分析
(1) 由于化学敏化的乳化炸药中微气泡受压逃逸、珍珠岩/玻璃微球受压破裂导致乳化炸药密度增大, 乳化炸药在深水压力作用下, 由于受到压力的作用, 其爆速、起爆感度明显下降;
(2) 玻璃微球敏化的乳化炸药有较好的抗水压性能;
(3) 因乳化炸药所采用的油相材料不同、化学敏化配方不同, 化学敏化的乳化炸药有不同的抗水压性能;
(4) 浸水受到较大压力后取出能正常起爆的化学敏化的乳化炸药在浸水带压时有可能拒爆;浸水受压后取出乳化炸药进行测试存在误判的可能;原因是解除压力后炸药中原有气泡变大、炸药密度变小, 提高了炸药的起爆感度;
(5) 珍珠岩的抗压性能差于玻璃微球, 珍珠岩敏化的乳化炸药抗水压性能劣于玻璃微球敏化的乳化炸药。
参考文献
[1]赵根, 季荣, 郑晓宁, 等.乳化炸药水中爆炸冲击波传播规律试验研究[J].爆破, 2011, 28 (2) :1~4.
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[5]王雪峰.乳化炸药复合敏化技术的研讨与应用[J].山西化工, 2014, 34 (6) :53~55.
抗水性能 篇6
本研究制备了整体防水混凝土试件,其中,有机硅防水剂的掺量分别为0%、2%和4%(相对于水泥的质量分数),通过模拟水冻环境下和除冰盐及近海环境下的冻融试验,从混凝土试件的相对动弹模量和质量损失率的变化情况,研究内掺有机硅防水剂的整体防水混凝土的抗冻性能,为实际工程中防水混凝土的应用提供合理的理论支持。
1 实验部分
1.1 原材料与配合比
防水剂:德国某公司提供的有机硅防水剂Protectosil MH50,主要技术指标和特点见表1;混凝土:水灰比为0.5,有机硅防水剂的掺量分别为0%、2%和4%(需加的水量中要扣除掺加的有机硅防水剂中的含水量,以保证同组对比试验试件的水灰比相同)。同时,为了与内掺有机硅防水剂的混凝土对比,每组均配制了未掺任何防水剂的普通混凝土。试验用配合比如表2所示。
kg/m3
1.2 试件制备
根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》中的抗冻性试验,制备尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的试件。为了防止脱模剂对试件抗冻性产生影响,在浇筑试件时不使用脱模剂。同时由于有机硅防水剂的存在,减缓了水泥的水化速率,导致试件强度增加缓慢,故在试件成型48 h后再脱模,然后放入标准养护室中养护[温度(20±3)℃,相对湿度大于90%],达到养护龄期后,将试件从养护室中取出,待试件饱水或饱盐后分别进行抗水冻试验和抗盐冻试验[4,5]。
1.3 试验方法
本实验采用TDR-3型全自动混凝土快速冻融设备,仪器的参数设置满足GB/T 50082—2009的相关规定。将达到养护龄期的混凝土试件从养护室中取出,分别放在清水和3%的NaCl溶液中饱水饱盐,然后分别按照规范中抗冻试验的相关规定,进行水冻和盐冻试验。在冻融循环次数为0、25、50、75、100次时取出试件,测量其横向基频,测量前应先将试件表面的浮渣清洗干净并擦干表面水分,检查其外部损伤并称量试件的质量,待测试完毕后再放入冻融箱内继续冻融试验[4,5]。
2 结果与分析
2.1 水冻试验结果与分析
2.1.1 内掺有机硅防水剂混凝土试件的质量损失率变化
在冻融环境中,由于膨胀应力的作用,混凝土试件表面易发生剥落。图1为冻融循环100次时,不同有机硅防水剂掺量混凝土试件表面的剥落情况,可以看出,随着有机硅防水剂掺量的增加,混凝土试件表面剥落变得严重。
图2为不同冻融循环后混凝土试件的质量损失率变化曲线。当冻融循环次数为100次时,B、B2和B4的质量损失率分别为0.43%、0.52%和0.64%,其中内掺有机硅防水剂的混凝土试件较未经防水处理的混凝土试件的质量损失率大,并且随着有机硅防水剂掺量的增加,其质量损失率增大。这是由于有机硅防水剂的存在减缓了水泥水化反应的速率[6],水化产物减少,导致内掺有机硅防水剂的混凝土试件整体力学性能下降,在冻融膨胀应力作用下表面剥落严重。
2.1.2 内掺有机硅防水剂混凝土试件的相对动弹模量变化
图3为不同有机硅防水剂掺量的混凝土试件,在不同水冻融循环后相对动弹模量的变化曲线。假定0次冻融循环混凝土试件的相对动弹模量为100,经过100次冻融循环后,B、B2、B4的相对动弹模量分别降为60.43、48.33和12.13。可以看出,随着冻融循环次数的增加,混凝土试件的相对动弹模量均呈下降趋势。同时,对比不同有机硅防水剂掺量混凝土试件的相对动弹模量曲线可知,内掺有机硅防水剂混凝土试件的抗冻性较空白试件的抗冻性差,并且随着有机硅防水剂掺量的增加,混凝土试件劣化变快,抗冻性变差。
2.2 盐冻试验结果与分析
2.2.1 内掺有机硅防水剂混凝土试件的质量损失率变化
将不同有机硅防水剂掺量的混凝土试件进行抗盐冻融循环试验,在不同冻融循环次数下混凝土试件的质量损失曲线和表面剥落情况,见图4和图5。对比水冻试验数据可知,盐冻试验由于盐的存在,混凝土试件内部渗透压更大、饱和度更高、结冰压更大,加剧了受冻破坏程度,导致其结构损伤更加严重[7]。
当冻融循环次数为100次时,B、B2和B4的质量损失率分别为0.46%、0.73%和0.92%。可以看出,在盐冻环境中,随着有机硅防水剂掺量的增加,混凝土试件的表面剥落同样会变严重。
2.2.2 内掺有机硅防水剂混凝土试件的相对动弹模量变化
图6为不同有机硅防水剂掺量的混凝土试件,在不同盐冻融循环后的相对动弹模量变化曲线。假定0次冻融循环时,各混凝土试件的相对动弹模量为100,经过100次冻融循环后,B、B2和B4的相对动弹模量分别降为64.63、53.25和38.72。由此可知,在盐冻环境下,经有机硅防水剂处理的混凝土试件的抗冻性能较空白混凝土试件的差,并且随着有机硅防水剂掺量的增加,混凝土试件的相对动弹模量下降幅度增大。
2.3 小结
造成内掺有机硅防水剂混凝土试件抗水冻、抗盐冻性差的主要原因是,有机硅防水剂的存在导致水泥水化速率减缓,混凝土试件的整体力学性能降低,在水冻和盐冻环境中受冻融膨胀应力的作用,试件提前发生冻融损伤破坏。
3 结论
根据本研究的试验结果可得出如下结论:1)在水冻、盐冻环境下,内掺有机硅防水剂制备的整体防水混凝土的抗冻性较未经防水处理的混凝土试件差,并且随着有机硅防水剂掺量的增加,其相对动弹模量下降幅度变大;2)在水冻、盐冻环境下,随着冻融循环次数的增加,混凝土试件的质量损失率增大;并且内掺有机硅防水剂混凝土试件的质量损失率,较未经防水处理的混凝土试件的大。这是由于整体防水混凝土中,有机硅防水剂的存在减缓了水泥的水化反应,水泥水化产物减少,导致混凝土试件的整体力学性能下降,在冻融膨胀应力的作用下提前发生冻融损伤破坏。
综上所述,由于掺加有机硅防水剂制备的整体防水混凝土的抗冻性较差,在实际工程应用中,若处于冻融环境,对于新建建筑,应在保证混凝土结构具有较好防水性的同时,适当减小其水灰比、降低有机硅防水剂的掺入量,使其具有满足工程要求的抗冻性能;对于已有的内掺有机硅防水剂制备的整体防水混凝土结构,应对其进行维护,防止发生冻融损伤破坏。
参考文献
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抗水性能 篇7
目前, 基于概率意义下的结构可靠度理论和方法在结构工程领域中成为一种趋势, 在水利工程领域中, 已经实施了《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》 (GB50199-94) , 其在水工钢结构设计、混凝土重力坝、混凝土拱坝的结构分析中已经得到广泛运用, 但在土石坝计算并不多见, 尤其在沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度计算还未做尝试。其主要原因在于沥青混凝土心墙本构关系复杂, 材料高度非线性, 故使沥青混凝土心墙抗水力劈裂的功能函数不能显示表达出来, 不能用传统可靠度的计算方法如一次二阶矩, JC[1]法进行结构可靠度计算, 而Monte-Carlo有限元计算方法也因为沥青混凝土材料的非线性, 工作量非常大, 也不适合运用在这求解可靠度。本文在查阅大量资料基础上[2,3,4,5], 利用响应面有限元法既能利用确定性有限元结算结果, 又能减少数值模拟次数的优点, 对沥青混凝土心墙水力劈裂可靠度计算做了初步的研究, 选择了影响水力劈裂的主要因素作为随机变量, 利用响应面法和JC法相结合对抗水力劈裂沥青混凝土心墙的可靠度进行了计算和分析。
1 沥青混凝土心墙抗水力劈裂计算模型构建
1.1 抗水力劈裂功能函数构建
调查Teton坝失事原因的研究小组提出, 水力劈裂发生在土体抗拉强度与最小主应力之和小于水压力的区域, 即产生水力劈裂的条件为:
式中:uf为产生水力劈裂时的静水压力;σ2为土体的最小主应力;c为土的抗拉强度。
根据式 (2) 建立心墙抗水力劈裂的可靠度极限状态方程。
式中:R (·) 为抗力表达式;S (·) 为效应表达式;X1, X2, …, Xn为随机变量。
由于式 (2) 功能函数Z中变量σ2不能显示表达出来, 故需要采用响应面构建σ2的显示表达式。
1.2 响应面法构建σ2
响应面法是通过有限次计算求出一个近似曲面 (称为响应面) [6,7]以代替原曲面, 即在响应量 (z) 与不确定因素 (随机变量X1, X2, …, Xn) 间建立起一个近似的显式表达z=g (X1, X2, …, Xn) , 然后用该近似函数代入有限元程序进行重复计算, 获得作用响应统计分析之样本, 再结合JC法、几何法等方法进行结构可靠度的计算。其具体过程是:设结构实际功能函数为z=g (X1, X2, …, Xn) , 则其结构可靠度分析的二次响应面模型可以构造为式 (3) 。
式中:Xi (i=1, 2, …, n) 为基本随机变量;a0、bi、ci和di为响应面函数中的待定系数, 其值根据有限元计算结果寻找迭代样本点, 然后通过回归确定。
但对含有多个随机变量的大型结构进行可靠度分析时, 响应面形式的一般简化为无交叉项形式, 故本文对σ2的响应面方程简化为 (4) 式。
根据式 (3) , 结合σ2的响应面方程 (4) , 构造抗水力劈裂功能函数Z为 (5) 。
式中:Xi为σi的随机变量;c为土的抗拉强度;uf为静水压力。
1.3 JC 法求解可靠指标β
JC法是以一次二阶矩法为基础, 核心是将非正态随机变量当量正态化, 推得当量正态变量x′i在设计演算点x*i处均值μx′i和标准差σx′i为:
式中:Φ-1 (·) , Ψ-1 (·) 分别为标准正态分布函数的反函数及概率密度函数。
这样, 结合抗水力劈裂功能函数的偏导函数式 (8) ～式 (10) , 以及灵敏系数函数式 (11) ～式 (13) , 利用一次二阶矩法原理可计算出可靠指标。
式中:μ, σ为随机变量的均值和标准差。
根据式 (14) 首先假定一个初始值, 然后通过式 (8) ～ (14) , 不断迭代求解, 最后得到精确值β。
2 工程算例分析
2.1 工程概况
冶勒水电站位于四川省凉山州冕宁县和雅安市石棉县境内, 为南桠河流域梯级规划“一库六级”的第六级龙头水库电站。坝前正常蓄水位2 650 m, 死水位2 600 m, 大坝坝顶高程2 654.5 m, 坝顶宽14 m, 最大坝高124.5 m, 坝体填土均为堆石体, 沥青混凝土心墙采用直线形式, 由于河床及右岸坝基覆盖层深厚, 最大深度超过420 m, 工程区地震基本烈度为8级, 沥青混凝土最大坝高124.5 m, 故大坝按1级建筑物设计。鉴于此种情况, 为了保证大坝的安全运行, 对其心墙结构抗水力劈裂可靠性予以分析论证是十分必要的。
2.2 随机变量确定
本文在有限元计算中, 沥青混凝土心墙、堆石、大坝地基的结构模型都采用了邓肯-张[8]非线性有限元模型, 由于其参数比较多, 在不影响分析精度的前提下, 为了简化计算可将变异性相对较大的参数设置为随机变量。本文在查阅了大量文献基础上[9,10], 认为上游水位H作为整个大坝正常运行期最大的作用荷载, 其变化直接影响到整个沥青混凝土心墙变形和应力, 故选择它作为随机变量是必要的。同时考虑到材料本身的强度参数c, φ对心墙的应力、变形以及判断心墙的应力状况是最重要的因素, 故也应该考虑成为随机变量, 而对其他参数如容重、大坝尺寸等对于高坝来说, 变异性很小, 对整个的结构可靠度计算影响很小, 可以不作随机变量而考虑成定值处理。故其随机变量的分布和特征见表1。
2.3 模型构造及计算
根据冶勒最大断面的特征, 把该断面离散为2 959个单元和2 917个节点, 然后作平面非线性有限元计算, 为了分析沥青混凝土心墙抗劈裂可靠度, 需对心墙上游面61个节点分别建立相应的功能函数和响应面方程进行可靠度分析, 从而得到沥青混凝土心墙抗劈裂可靠度。
根据式 (5) 以及上述确定的随机变量, 对心墙上游面共61个节点分别建立相应的心墙抗水力劈裂的可靠度极限状态方程:
式中:x1, x2, x3为随机变量c, φ节点纵坐标, 静水压力uf是关于随机变量x3和y0的函数;y0为坝基防渗墙基座纵坐标;γ取9.81。
2.4 成果分析
根据前述计算域离散模型及各参变量随机特征, 本文编制了基于响应面有限元法的沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度计算程序, 并将可靠度计算结果与传统方法计算出的安全系数以及心墙温度监测资料分析成果进行了比较。
2.4.1 抗水力劈裂可靠度结果分析
用自编程序计算出的沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠指标如图1, 可以看出冶勒大坝沥青混凝土心墙抗水力劈裂的可靠度指标值最小发生在中下部, 最小的可靠度指标为4.371, 满足水工结构安全级别为Ⅰ级建筑物二类破坏β4.2的标准, 但是从图中清楚反映出沥青混凝土心墙中下部安全储备远远小于上部, 建议在日常运行观测时, 加强沥青混凝土心墙中下部的监测分析。从上述结果可以看出整个沥青混凝土心墙抗水力劈裂可靠度高, 沥青混凝土心墙中失效破坏的概率非常小。
2.4.2 对比分析
(1) 沥青混凝土心墙安全系数分析。
本文在计算可靠度的同时, 也用传统方法对其进行复核, 采用了传统计算抗水力劈裂安全系数的公式为
(2) 沥青混凝土心墙温度监测资料分析。
在设计冶勒沥青混凝土心墙堆石坝时, 为了运行时能实时监测沥青混凝土心墙安全情况, 在冶勒沥青混凝土心墙里面沿不同高程埋设温度计 (T11-T16随埋设高程逐渐降低) 。根据2004年冶勒蓄水后温度计监测资料统计分析, 其温度过程线见图2, 结果表明:在温度计埋设初期, 温度下降很快, 但随着时间推移, 温度下降速度减慢, 后来温度趋于稳定, 没有突变, 说明蓄水后, 沥青混凝土心墙运行状况良好, 抗水力劈裂安全性好, 而前面计算出的可靠指标均大于允许规范值, 也说明心墙运行状况良好, 表明可靠度分析结果是与实际吻合的。
3 结 语
(1) 由可靠度指标图, 沥青混凝土心墙抗水力劈裂安全系数, 以及沥青混凝土心墙温度监测资料分析都表明, 大坝在蓄水后, 沥青混凝土心墙抗水力劈裂的安全度是有保证。通过传统分析方法结果和监测资料分析结果, 印证了本文提出的沥青混凝土心墙抗水力劈裂的可靠度计算方法是合理可行, 其计算结果是正确的。
(2) 本文采用响应面法、有限元法与 JC 法结合分析复杂非线性材料可靠度, 不仅解决了其结构功能函数难以显式表达的问题, 而且通过迭代调整, 精度满足实际工程分析要求, 且模拟效率高, 为解决类似工程的可靠性分析提供了可供选用的一条新途径。
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