低成本拼装式建筑合成材料老化试验研究综述

李瑞凌

（昆明通泰置业有限公司，云南昆明650000)

城市化进程的加快，使得人们对建筑空间的需求越来越多，因此城市建筑数量每年都在增加。然而，随着建筑数量的增多，房屋价格并不没有随之降低，因此不少企业为增加房屋销售量，并同时保证自身盈利，在拼装式建筑建造过程中，使用了一些合成材料，如塑料、橡胶、薄膜等，降低拼装式建筑成本，以便取得价格优势。合成材料与传统基本材料相比，种类多样、成本低廉、可塑性强，但是易受外界环境因素的影响，如太阳光、氧气、温度、水分、pH 值，在使用一段时间后，会发生老化现象，导致使用寿命不长，需要定时更换，否则有可能降低拼装式建筑安全性和稳定性［1］。为此，进行拼装式建筑合成材料老化试验对于提高合成材料的老化性能具有重要的现实意义。

目前，对于拼装式建筑合成材料老化试验研究方法有很多，如蒋文凯等研究了在紫外光作用下的土工合成材料老化性能；张盈锁等研究了高分子合成材料在一定温度范围内的老化过程；陈经盛研究了橡胶这种常见的拼装式建筑合成材料在湿热环境下的老化过程。以上这些方法都是在某一个因素的影响下研究合成材料老化性能，而拼装式建筑合成材料老化是在多种自然条件共同作用下的性能逐渐退化的过程，研究一个具体因素下合成老化过程是不准确的，具有一定的局限性。

针对上述问题，本文模拟自然因素对拼装式建筑合成材料的作用，采用加速老化试验方法进行其老化性能研究，性能研究范围主要包括外观变化、力学性能变化以及其它性能变化等三个方面［2］。通过本文研究，以期提升拼装式建筑结构的可靠性。

1 试验概况

1.1 试验样本

拼装式建筑合成材料，也叫土工合成材料，是以塑料、化纤、合成橡胶等多种人工聚合物为原料基础，混合而成的用于拼装式建筑建造当中的各种产品。目前主要有四大类：土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料［3-5］。在这里选择一种HDPE 土工膜作为试验样本，将其裁成30cm×20cm 的矩形块进行研究。该HDPE 土工膜产品规格见表1。

表1HDPE 土工膜产品规格Table 1 Specifications of HDPE geomembrane

1.2 试验仪器

老化试验中主要的试验仪器及作用见表2。

表2 试验仪器Table 2 Test instrument

1.3 试验方法

目前，老化试验方法主要有两种：自然老化试验和人工加速老化试验。其中，前者是在真实自然条件下进行的老化试验，因此试验周期一般会很长，在现实中，并不常用［6-7］。后者则是通过人工的方式来加速模拟自然条件的老化过程。这种试验方法可缩短材料的老化时间，试验周期短，可以较快完成老化分析［8］。根据上述两种老化试验方法的特点，选择人工加速老化的方式进行拼装式建筑合成材料老化研究。

1.4 一般试验条件

土工膜主要受到光照、氧气、温度、湿度和臭氧等条件的影响，因此根据上述条件一般进行人工光氧老化、人工湿热老化、人工臭氧老化［9］三种试验。其各种试验 条件设置如下。

（1）人工光氧老化

测试标准：ASTM G53-88《非金属材料曝晒用光、水曝晒仪（荧光紫外-冷凝型）标准操作规程》；光源：UVA-340（40W）紫外光；光照温度：60℃；辐照强度：0.50W/m2（340nm）；凝聚温度：20 ℃～25 ℃；光照方式：22h 持续光照，2h 自然冷凝；循环周期：24h；取样间隔：48h；取样次数：10 次；试验过程：将试样置于紫外光耐气候试验箱中，设置光照条件，经过一段时间加速老化，测试老化前后性能变化。

（2）人工湿热老化

测试标准：GB/T 3512、GB/T 7759、GB/T 2941；老化温度：70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃；温度波动：±0.5℃；湿度波动：±2%R·H；加热方式：23h 持续光照，1h 自然冷凝；循环周期：24h；取样间隔：24h；取样次数：10 次；试验过程：将试样置于热老化箱中，使其在一定温湿度下经受热和氧的加速老化作用，间隔取样测试老化前后尺寸变化情况。

（3）人工臭氧老化

1)测试标准： A S T M D 3395；温度：50℃；相对湿 度：40% R·H；臭 氧 浓 度：0～10-6；0～10-5；0～10-4；0～10-3；测试箱内流动速度：450mm/ s；新鲜空气流速：5 L/min；循环周期：48h；取样间隔：48h；取样次数：10 次；试验过程：将试样置于臭氧老化试验箱中，使其暴露在一定浓度的臭氧环境中一段时间。测试样性状的 变化，以分析其老化规律。

2 试验结果分析

在经过人工光氧老化、湿热老化、臭氧老化等三种处理后，利用扫描电镜、电子天平、万能力能力学试验机对其老化性能进行分析［10］。

2.1 试验样本外观

利用扫描电镜对试验样本臭氧老化处理前、处理中和处理后三个阶段的试验样本外观进行分析［11］。电镜扫描倍数为放大1600 倍（如图1 所示）。

图1 试验样本外观变化情况Fig.1 Appearance change of test sample

由图1 可知，HDPE 土工膜老化前，样本表面光滑平整，无孔洞和裂纹，但是老化240h 后，HDPE 土工膜有明显颗粒分布，表面变得较为粗糙，且膜面不平展。老化试验结束后，HDPE 土工膜明显有结块及孔洞出现。

2.2 试验样本力学性能

（1）样品拉伸强度和保持率

试验发现，在光氧老化初期，各试件的强度迅速下降，中期出现短时间上升，然后又逐渐减少，且强度的降低速率较初期减小，老化时间为480h 时拉伸强度的保持率仅为 23.7%。

（2）试样断裂伸长率变化情况见图2：

由图2 可知，试样断裂伸长率在最初0～50h 的时间内变化下降最大，之后一直保持在较平稳的状态，在 480h 老化后，断裂伸长率为13.5%，

图2 试样断裂伸长率变化情况Fig.2 Change of elongation at break of sample

2.3 试验样本其它性能

（1）试样尺寸

试验表明，湿热老化480h 处理后，尺寸由开始的30cm×20cm 变成52.3cm×40.2cm，明显变大，并伴有粉状情况，试样完全失去原有形态。

（2）试样质量变化情况

由图3 可知，在老化的最初72 小时内，试样失重速率很快，随后失重速率逐渐下降，最后趋于平衡。在这一过程中，试样质量的损失很小，基本都没超过1%。

图3 试样质量变化情况Fig.3 Change of sample mass

3 结束语

近几年拼装式建筑行业竞争态势越加激烈，不少拼装式建筑商为赢得竞争优势，在拼装式建筑中经常使用合成材料，以便降低拼装式建筑成本，赢得价格优势。合成材料较普通材料成本低、可塑性强，但是性能会随着时间的推移逐渐降低、老化。一旦老化超过一定界限，就会失去价值，影响拼装式建筑可靠性和安全性。在此背景下，进行拼装式建筑合成材料老化试验具有重要的现实意义。本文列举并探讨几种老化前后样品的外观、力学性能以及其它性能等老化指标变化情况，以期判断拼装式建筑合成材料的使用寿命，为工程设计提供设计的科学依据。