復(fù)雜地下水環(huán)境下噴膜防水材料損傷的CT試驗(yàn)

楊其新，王慶國(guó)，蔣雅君，鄭尚峰，徐 鵬

（1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；4.上海宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200235）

隨著大量地下建筑物的修建，地下工程結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題日益凸顯.在地下結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷劣化的過(guò)程中，一旦防水材料失效，地下水很快就會(huì)對(duì)混凝土和鋼筋等產(chǎn)生不利影響，加速地下結(jié)構(gòu)耐久性的降低［1］.丙烯酸鹽噴膜防水材料屬于高分子材料范疇，相較于傳統(tǒng)的防水卷材，具有對(duì)施工環(huán)境無(wú)特殊要求、適應(yīng)性廣、質(zhì)量均勻等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景巨大［2－4］.作為一種新型的防水材料，除其防水性能外，抗腐蝕能力也是廣大用戶所關(guān)心的.因此，有必要對(duì)地下水環(huán)境下噴膜防水材料的損傷破壞情況進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)材料和方法

前期宏觀試驗(yàn)研究結(jié)果［6］已經(jīng)限定了地下水環(huán)境中Cl－，的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和含OH－堿性溶液的pH 值，見(jiàn)表1.本試驗(yàn)結(jié)合宏觀浸泡試驗(yàn)現(xiàn)象，采用NaCl，Na2SO4和NaOH 溶液來(lái)模擬地下水環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)，試驗(yàn)分組見(jiàn)表2.

表1 地下水環(huán)境中各離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)或pH 值限值Table 1 Ionic mass fraction or pH value limited in groundwater environment［6］

表2 試驗(yàn)分組Table 2 Test groups

前期結(jié)合宏觀試驗(yàn)和掃描電鏡圖像［7］以及CT掃描，已驗(yàn)證了CT 掃描研究材料損傷的可行性.鑒于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，本文僅采用CT 掃描技術(shù)進(jìn)行研究.

1.1 試件制備

1.1.1 噴膜防水材料制備

將A 主液和B 主液（丙烯酸鹽等）分別添加氧化劑和還原劑混合攪拌形成A 液和B 液，然后通過(guò)自行研制的噴射成膜設(shè)備，在常溫常壓下以聚合方式噴涂成防水膜，厚度為3mm 左右.

1.1.2 試件制備

試件形狀如圖1 所示，其尺寸為9cm×9cm，每個(gè)試件分成9個(gè)子區(qū).在試件的4個(gè)邊留下數(shù)目不同的缺口，以便CT 掃描后能順利區(qū)分各子區(qū)的位置.

1.2 CT掃描設(shè)備

采用德國(guó)西門子Somatom Spirit新一代雙層螺旋CT 機(jī).為保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，各試件均采用統(tǒng)一的掃描條件和掃描部位.試驗(yàn)條件如表3所示.

圖1 試件圖樣Fig.1 Specimen pattern（size：cm）

表3 CT試驗(yàn)掃描條件Table 3 Scanning conditions for CT test

1.3 試驗(yàn)操作流程

試驗(yàn)操作流程：（1）制備試件并進(jìn)行編號(hào)分組；（2）利用CT 第1次檢測(cè)試件的CT 數(shù)和CT 方差，將其平均值作為材料密度的初始CT 數(shù)和CT 方差；（3）按試驗(yàn)方案和分組配置溶液，將試件浸泡在溶液中，若干天后取出，用清水或酒精清洗，然后放在CT 機(jī)上進(jìn)行掃描，讀取試件CT 數(shù)和CT 方差，求其平均值；（4）掃描完畢后，將試件浸泡在重新配制的溶液中，若干天后取出，用清水或酒精清洗，然后放在CT 機(jī)上進(jìn)行掃描，讀取其CT 數(shù)和CT 方差（掃描次序依次類推），求其平均值；（5）數(shù)據(jù)處理，對(duì)比分析，得出結(jié)論.

1.4 數(shù)據(jù)讀取方法

使用CT 設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行掃描時(shí)，容易出現(xiàn)CT圖像偽影［8］.為了減小其影響，提高讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)采用“中心點(diǎn)”法讀取數(shù)據(jù).

所謂“中心點(diǎn)”法就是把試件人為地分為9 個(gè)子區(qū)間，每個(gè)子區(qū)間均包含掃描斷面，在每個(gè)斷面上按照?qǐng)D2 所示位置讀取數(shù)據(jù).其中d 為斷面厚度.讀取中心點(diǎn)面積為2 mm2.讀取的數(shù)據(jù)如圖3所示.求解9個(gè)子區(qū)間的數(shù)據(jù)平均值，此平均值即為該試件的最終試驗(yàn)值，將其作為分析處理數(shù)據(jù).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

CT 設(shè)備掃描試件可直接得出2種數(shù)據(jù)：CT 數(shù)和CT 方差，據(jù)此便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.在分析數(shù)據(jù)前，必須明確3 個(gè)重要參數(shù)：CT 數(shù)、折減百分比和CT 方差［9－10］.

圖2 掃描斷面測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Measuring positions on scanning sections（size：mm）

圖3 測(cè)點(diǎn)位置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Measured data on scanning positions

CT 數(shù)和CT 方差是表征材料損傷擴(kuò)展過(guò)程的重要參數(shù)［11－12］.CT數(shù)的變化規(guī)律是試件密度變化最為直接的客觀反映，CT 數(shù)越大，表明物質(zhì)密度越大，若CT 數(shù)變小，則說(shuō)明試件內(nèi)部出現(xiàn)損傷；CT 方差的變化反映試件分布的不均勻性，即各向異性特征，CT 方差越大，試件愈不均勻.折減百分比是指某次掃描CT 數(shù)相對(duì)于第1次掃描CT 數(shù)的百分比.該數(shù)值越大，代表材料密度折減程度越小.

研究結(jié)果［7］表明：當(dāng)噴膜防水材料CT 數(shù)折減百分比小于40%且CT 方差先減后增時(shí)，可以認(rèn)定該材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生本質(zhì)變化，材料失效.

2.1 NaCl溶液浸泡

圖4 為噴膜防水材料經(jīng)NaCl溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

圖4 噴膜防水材料經(jīng)NaCl溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.4 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in NaCl solution

由圖4可知，噴膜防水材料分別采用自來(lái)水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%和5.0%的NaCl溶液浸泡后，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)、折減百分比和CT 方差均呈減小趨勢(shì).浸泡后材料密度減小，不均勻性降低.自來(lái)水浸泡45d后，1＃試件CT 數(shù)、折減百分比和CT 方差已趨于穩(wěn)定，CT 數(shù)、折減百分比、CT 方差分別為270.3，82.0%，23.4.說(shuō)明材料除發(fā)生一定程度的溶脹外，其結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能基本不變；浸泡溶液NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.5%提高為5.0%時(shí)，材料CT 數(shù)和折減百分比減小速度加快，而CT 方差減小速度變緩，5.0% NaCl溶液浸泡45d 后，3＃試件CT 數(shù)、折減百分比、CT 方差分別為157.4，56.8%，6.1，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)變化.

2.2 Na2SO4溶液浸泡

圖5為噴膜防水材料經(jīng)Na2SO4溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

圖5 噴膜防水材料經(jīng)Na2SO4溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.5 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in Na2SO4 solution

由圖5可知，噴膜防水材料分別采用自來(lái)水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1.0%的Na2SO4浸泡后，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)、折減百分比均呈減小趨勢(shì).浸泡后材料密度減小，不均勻性降低.浸泡溶液Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%提高為1.0%時(shí)，材料CT數(shù)和折減百分比減小速度顯著加快；Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，隨浸泡時(shí)間的增加，4＃試件CT方差逐漸減小，最后基本趨于穩(wěn)定（CT 方差為6.0），材料內(nèi)部的空隙和裂隙已被浸泡溶液充滿；Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，隨浸泡時(shí)間的增加，5＃試件CT方差先減小，30d后開(kāi)始增大，CT方差變化拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)折減百分比為40%左右，滿足材料失效的判據(jù)，說(shuō)明此時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化，已發(fā)生破壞.

2.3 NaOH 溶液浸泡

圖6為噴膜防水材料經(jīng)NaOH 溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

由圖6可知，采用pH＝12.0的NaOH 溶液浸泡的6＃試件，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)和折減百分比均呈減小趨勢(shì)；浸泡4d后，其減小速率有所變緩.浸泡后材料密度減小，不均勻性有一定程度的降低.在浸泡過(guò)程中，材料CT 方差先減小，浸泡4d后開(kāi)始增加，方差變化拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)折減百分比為40%左右，滿足材料失效的判據(jù)，說(shuō)明此時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化，已經(jīng)發(fā)生破壞.

材料經(jīng)pH＝12.0的NaOH 溶液浸泡4d后開(kāi)始損壞；經(jīng)1.0% Na2SO4溶液浸泡30d后，材料才開(kāi)始損壞；經(jīng)5.0% NaCl溶液浸泡45d后材料仍沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)變化.顯然，與NaCl和Na2SO4溶液對(duì)噴膜防水材料的損傷相比，NaOH 溶液對(duì)材料的損傷最大，Na2SO4溶液次之，NaCl溶液最小.

圖6 噴膜防水材料經(jīng)NaOH 溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.6 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in NaOH solution

2.4 NaCl和Na2SO4混合溶液浸泡

圖7為噴膜防水材料經(jīng)NaCl和Na2SO4混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

圖7 噴膜防水材料經(jīng)NaCl和Na2SO4混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.7 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in mixture of NaCl and Na2SO4 solutions

由圖7可知，噴膜防水材料采用NaCl和Na2SO4混合溶液浸泡，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)和折減百分比均呈減小趨勢(shì).采用2.5% NaCl和0.5% Na2SO4混合溶液或2.5% NaCl和1.0%Na2SO4混合溶液浸泡的7＃，8＃試件，隨浸泡時(shí)間增加，其CT 數(shù)和折減百分比基本呈穩(wěn)速減小，CT方差非穩(wěn)速減小；而采用5.0% NaCl 和1.0%Na2SO4混合溶液浸泡的9＃試件，其CT 數(shù)和折減百分比減小速率先增后減，CT 方差先減后增，在CT 方差拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)折減百分比為40%左右，滿足材料失效的判據(jù)，說(shuō)明此時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化，而CT 數(shù)和折減百分比減小速度變化也從另一方面說(shuō)明材料已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化.

在NaCl和Na2SO4混合溶液中，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響比單一NaCl溶液時(shí)有所增加；NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響與單一Na2SO4溶液時(shí)相比基本相同.在NaCl和Na2SO4混合溶液中，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后，材料CT 數(shù)和折減百分比的減小速率基本沒(méi)變；NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后，材料CT 數(shù)和折減百分比的減小速率增大.由此可見(jiàn)，對(duì)NaCl和Na2SO4混合溶液而言，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)材料的損傷要比Na2SO4更敏感.

2.5 NaCl和NaOH 混合溶液浸泡

圖8為噴膜防水材料經(jīng)NaCl和NaOH 混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

由圖8可知，噴膜防水材料采用1.0% NaCl和pH＝12.0 的NaOH 混合溶液或2.5% NaCl和pH＝12.0的NaOH 混合溶液浸泡時(shí)，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)和折減百分比均呈減小趨勢(shì)，但浸泡30d后，其減小速率有所變緩；采用2.5%NaCl和pH＝12.5的NaOH 混合溶液浸泡的11＃試件，隨浸泡時(shí)間的增加，其CT 數(shù)和折減百分比減小速度先增后減，CT 方差先減后增，在方差拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)折減百分比為40%左右，滿足材料失效的判據(jù)，說(shuō)明此時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化.

在NaCl和NaOH 混合溶液中，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響比單一NaCl溶液有一定增加；NaOH 溶液pH 值變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響與單一NaOH溶液相比有所下降.在NaCl和NaOH 混合溶液中，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后，材料CT 數(shù)和折減百分比下降速率加快；NaOH 溶液pH 值的提高對(duì)材料CT數(shù)和CT 數(shù)折減百分比的減小并沒(méi)有大的影響.由此可見(jiàn)，對(duì)NaCl和NaOH 混合溶液而言，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)材料的損傷要比NaOH 更敏感.

圖8 噴膜防水材料經(jīng)NaCl和NaOH 混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.8 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in mixture of NaCl and NaOH solutions

2.6 Na2SO4和NaOH 混合溶液浸泡

圖9為噴膜防水材料經(jīng)Na2SO4和NaOH 混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果.

圖9 噴膜防水材料經(jīng)Na2SO4和NaOH 混合溶液浸泡后的CT 掃描結(jié)果Fig.9 CT scans of spray membrane waterproof material soaked in mixture of Na2SO4 and NaOH solutions

由圖9可知，噴膜防水材料采用0.5%Na2SO4和pH＝12.0的NaOH 混合溶液或1.0% Na2SO4和pH＝12.0的混合溶液浸泡時(shí)，隨浸泡時(shí)間的增加，其掃描CT 數(shù)和折減百分比均呈減小趨勢(shì)，但浸泡30 d 后，其減小速率有所減緩.采用1.0%Na2SO4和pH＝12.5 的NaOH 混合溶液浸泡的15＃試件，隨浸泡時(shí)間的增加，其CT 方差先減后增，在方差拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)折減百分比為40%左右，滿足材料失效的判據(jù)，說(shuō)明此時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化；浸泡21d后，材料折減百分比已下降到20%左右，此時(shí)防水材料已經(jīng)潰爛.

在Na2SO4和NaOH 混合溶液中，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響與單一Na2SO4溶液相比有所下降；NaOH 溶液pH值變化對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比變化的影響較單一NaOH 溶液增大很多.NaOH 溶液pH 值對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比的影響與Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切，而Na2SO4對(duì)材料的影響與NaOH 溶液pH 值的關(guān)系更為明顯.在Na2SO4和NaOH 混合溶液中，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)材料CT 數(shù)和折減百分比的減小并沒(méi)有大的影響；NaOH 溶液pH值提高后，材料CT 數(shù)和折減百分比的減小速率加快，防水材料很快就發(fā)生破壞.由此可見(jiàn)，對(duì)Na2SO4和NaOH 混合溶液而言，NaOH 溶液pH 值的提高對(duì)材料的損傷要比Na2SO4更敏感.

3 結(jié)論

（1）綜合腐蝕介質(zhì)（NaCl，Na2SO4，NaOH 溶液以及兩兩混合溶液）浸泡后的數(shù)據(jù)，再次驗(yàn)證了噴膜防水材料的CT 數(shù)折減百分比小于40%和CT 方差先減后增的變化規(guī)律，這二者同時(shí)滿足即可判定材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)變化.

（2）噴膜防水材料采用NaCl，Na2SO4，NaOH這3種溶液分別浸泡后，其CT 數(shù)和折減百分比均呈現(xiàn)隨浸泡時(shí)間增加而降低的趨勢(shì)，NaOH 溶液對(duì)材料的損傷最大，Na2SO4溶液次之，NaCl溶液最小.

（3）在NaCl，Na2SO4和NaOH 這3 種溶液兩兩混合后，與單溶液相比，它們對(duì)材料損傷的影響有所變化，但并非都是增大.在NaCl和Na2SO4混合溶液中，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)材料損傷的敏感度比Na2SO4高；在NaCl和NaOH 混合溶液中，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高對(duì)材料損傷的敏感度比NaOH 高；在Na2SO4和NaOH 混合溶液中，NaOH 溶液pH值的提高對(duì)材料損傷的敏感度比Na2SO4高.

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