聚氨酯接缝材料力学特性与抗老化性能研究

陈红兵

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

随着我国基础设施建设的规模和速度逐渐增大，交通工程、水利工程及建筑工程等均面临工程接缝的密接问题。因此，工程接缝材料的研究成为工程施工中的重要问题。传统接缝材料的力学性能及抗老化性能对于现阶段工程建设适应性差，需要研究具有新的接缝材料[1-3]。聚氨酯接缝材料是具有高拉伸特性、较高的黏结强度以及较高的耐腐蚀等特性，是目前常用的工程接缝材料[4-5]。对于接缝材料的研究，潘金燕等针对建筑装配式中出现的接缝拼装材料开展研究，研发一种接缝胶泥来实现密封；薛菁等研究硅酮、聚硫、聚氨酯及新型聚硫氨酯接缝材料的力学特性，并对比各种材料的接缝效果；吴梦娜等研究PTN石油沥青聚氨酯作为接缝材料的性能，考虑温度从20 ℃至-100 ℃的变化，得到材料基本力学参数的变化规律；林永亮等以PTN渠道接缝材料为研究对象，得到不同组成配比条件下接缝材料抗紫外线老化性能；宋华坤等研究不同固化剂条件下改性聚氨酯接缝材料的力学特性变化规律，得到三亚乙基二胺是试验所选材料性能较为优异；张慧莉等考虑沥青改性聚氨酯的黏结特性，研究不同界面处理方式对接缝材料的影响特征；王孟玮等研究轻质砂加气混凝土墙板接缝的抗渗黏结材料，得到聚氨酯密封胶作为接缝材料具有较高的黏结性能；赵守佳等研究水泥混凝土路面接缝问题，分析JYM-聚氨酯弹性密封胶对接缝的黏结效果。聚氨酯材料作为接缝或者裂缝的黏结材料，在不同工程领域，如建筑工程、水利工程及道路工程等取得广泛的应用，因此，应充分研究聚氨酯接缝材料力学性能，以及在不同环境中的抗老化性能。

基于聚氨酯接缝材料的广泛应用，从聚氨酯接缝材料力学特性与抗老化性能开展室内试验研究，主要研究不同粉煤灰掺量条件下聚氨酯接缝材料的拉伸强度、断裂伸长率以及拉伸黏结强度等参数。同时，研究不同温度影响下聚氨酯接缝材料的抗老化性能。

1 试验设计

聚氨酯接缝材料为双组分形式，包括甲组分与乙组分。其中，甲组分主要成分为聚醚多元醇(聚醚二元醇、聚醚三元醇等)，在超声波作用下，在反应容器中历经7.5 h反应。乙组分主要为异氰酸酯、粉煤灰、固化剂等，试验中考虑粉煤灰对聚氨酯接缝材料的影响，因此乙组分材料主要区别在于粉煤灰掺量的不同，其他材料保持一致。甲组分与乙组分的比例为1∶1。

乙组分掺加的粉煤灰选择当地电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，颜色为灰褐色，状态为粉末状，粉煤灰的主要成分包括SiO2、Fe2O3、CaO、Al2O3等。根据室内试验测定试验中所用的粉煤灰密度为2.10 g/cm3，其他性能参数包括烧失量为6.80%，细度为12.50%，需水量比为95.50%。

根据材料的配比不同，主要考虑粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%时，聚氨酯接缝材料的硬度、拉伸强度以及断裂伸长率。同时，分析不同温度条件抗老化性能。对于聚氨酯接缝材料力学性能的影响，主要是通过试验仪器得到粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%的硬度、断裂伸长率以及拉伸强度。针对不同温度影响下聚氨酯接缝材料抗老化性能，研究温度为40 ℃、50℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃和90 ℃条件下的断裂伸长率以及拉伸黏结强度的变化规律。

2 试验结果

2.1 聚氨酯接缝材料力学特性

粉煤灰含量对于聚氨酯接缝材料力学特性产生一定影响，因此主要考虑粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%时，分析聚氨酯接缝材料的硬度、断裂伸长率以及拉伸强度的变化规律。见图1。

图1 粉煤灰掺量对材料力学性质影响Fig.1 Effect of fly ash content on mechanical properties of materials

粉煤灰的掺量能够明显影响聚氨酯接缝材料的力学性质，随着粉煤灰掺量的增加，聚氨酯材料的硬度显著增强，同时材料拉伸强度增大。随着粉煤灰掺量的增加，聚氨酯接缝材料的断裂拉伸率逐渐减小。利用数学分析软件可以得到粉煤灰掺量与硬度、拉伸强度及断裂拉伸率的定量关系，演化关系可以采用指数函数关系来描述。

不同粉煤灰掺量条件下，材料硬度与断裂拉伸率、拉伸强度的变化关系，见图2。由图2可知，变化规律符合指数函数变化特征，拟合效果较好。

图2 硬度与断裂拉伸率、拉伸强度的变化关系Fig.2 Relationship between hardness and elongation at break,tensile strength

2.2 聚氨酯接缝材料抗老化性能

由于工程所处的环境比较复杂，对于聚氨酯接缝材料的抗老化性能提出更高的要求。环境温度的变化引起聚氨酯接缝材料老化，通过分析温度为30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃条件下断裂伸长率以及拉伸强度的变化规律，得到不同温度条件下聚氨酯接缝材料抗老化性能。见图3。

图3 不同温度条件下聚氨酯接缝断裂伸长率以及拉伸强度Fig.3 Elongation at break and tensile strength of polyurethane joints under different temperature conditions

根据图3可以得到，随着温度的升高，拉伸强度与断裂伸长率呈现相反的变化趋势。拉伸强度随温度升高近似呈现指数函数关系降低，降低幅度较小，从-60 ℃降低至30 ℃时，降幅约占26.70%。断裂伸长率随着温度升高逐渐提高，增加幅度明显高于拉伸强度，从-60 ℃降低至30 ℃时，断裂伸长率增幅约为89.10%。随着聚氨酯接缝材料所处温度的降低，聚氨酯接缝材料内部存在的孔隙等缺陷逐渐收缩，温度降低的程度越大，材料结构内部已经基本趋于稳定。当继续降低温度时，对于材料结构的影响较为微弱，聚氨酯接缝材料硬度及拉伸强度等参数几乎维持不变。

3 结 论

针对聚氨酯接缝材料的力学特性及抗老化性能，主要考虑不同粉煤灰掺量以及不同温度作用下聚氨酯材料的力学特性，根据力学试验结果，可以得到如下结论：

1) 不同粉煤灰掺量聚氨酯材料硬度、断裂伸长率以及拉伸强度的变化规律，随着粉煤灰掺量的增加，聚氨酯接缝材料的断裂伸长率逐渐减小。硬度与拉伸强度逐渐增大，粉煤灰掺量与硬度、断裂伸长率以及拉伸强度演化关系可以采用指数函数关系来描述。不同粉煤灰掺量条件下材料硬度与断裂伸长率、拉伸强度的变化关系符合指数函数变化特征。

2) 不同温度作用下聚氨酯材料抗老化性能，随着温度的升高，拉伸强度与断裂伸长率呈现相反的变化趋势，拉伸强度随温度升高近似呈现指数函数关系降低，断裂伸长率随着温度升高逐渐提高。