[分享] 欧美管片止水带技术综述:材料篇

发表于2019-10-12     68人浏览     1人跟帖     总热度:219  


小编语
From The Editor
隧道渗漏水一直以来都是隧道建设中的难题,业内人士也一直在寻求解决方案。近年来各种隧道管片止水带技术也逐渐得到了发展与应用。这次小编请到了止水带生产商VIP Polymers前技术总监Steve Casey与隧道掘进专家Mike King,为大家深度解读隧道管片止水带应用中的要点。

本期将首先与大家讨论止水带材料的选择及相关的影响因素,后续的两期则将为大家带来止水带的设计验证试验,并带大家领略目前全球在管片止水带的最新发展与趋势,看看它是否真是治理隧道渗漏水的“灵丹妙药”!
小编也曾为您介绍过五花八门的欧美管片止水带创新工艺,点击文末“猜你想看”下链接,即可一秒回顾!


选择
因素
许多因素会影响隧道或竖井管片止水带的选择:
需要抵御的水压;
■ 可允许范围内的浇铸和制造公差,例如缝隙和管片偏移;
 长期变形;
■ 设计寿命;
压缩荷载等。
除了上述设计与生产参数外,由于隧道工程的复杂性,止水带的选择还需要考虑:
材料选择;
安装方式(胶合或铸造);
 止水带剖面设计;
根据性价比选择单双层设计;
其中,止水带材料的选用看似大同小异,却是实际应用时的重中之重。目前业内有两种主流的橡胶材料用于隧道管片止水带的制造(同样用于止水带制造的亲水材料将稍后讨论,首先讨论一般被称作“机械密封”的材料),即:
三元乙丙橡胶(EPDM)
■ 丁腈橡胶(NBR)


Tips
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_2
EPDM聚合物
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_3
根据ASTM标准D-1418的分类,EPDM是属于M级橡胶的基础聚合物,与其他关键材料(亚乙基降冰片烯,二环戊二烯和乙烯基降冰片烯等)构成最终的EPDM橡胶聚合物。

EPDM橡胶中可以包含45%至85%丙烯,通过不同方式固化,从而提供不同性能,在技术上仍归类为EPDM。EPDM的机械性能范围一般在:

硬度:30至90国际橡胶硬度(IRHD)
极限拉伸破坏应力:5MPa-25MPa
密度:0.9-2g/cm³

与天然橡胶相比与天然橡胶相比,EPDM对于热、光、臭氧与多种化学物质的稳定性更强。

止水带材料的选择很大程度上取决于隧道的环境——地层、水土中的化学物质、影响隧道耐久性的有害介质等。

通常,对于清洁的输水隧道来说,EPDM是一种理想的止水带材料;而在碳氢化合物等化学物质丰富的隧道环境下,丁晴橡胶性能更佳。同样,具体的止水带设计将取决于有害物质与碳氢化合物等物质的浓度与严重程度,或者其他可能在隧道内部提供的保护措施,以防止止水带损坏渗漏。

对于更加极端的化学条件,也可以考虑使用其他等级的橡胶化合物,如氯丁橡胶、氟橡胶等;但EPDM与NBR如今仍是绝大多数隧道管片止水带的主流材料。

橡胶化合物由各种成分组成,成分的类型和数量决定该橡胶化合物的物理和化学性质,就如同面粉、水以及其他材料的类型与配比决定了蛋糕的口感与口味。用于管片止水带的橡胶化合物典型成分有:
聚合物:EPDM或NBR等;
■ 补强填料:典型材料有炭黑等;
 加工助剂:通常是矿物油或其他专用助剂;
 活性剂:催化剂,确保加工过程中化学反应
■ 固化剂:将橡胶硫化(交联)
■ 抗降解剂:保护材料免受氧气、光照、微生物等影响。
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_4


设计
标准
考虑到最终产品的范围很广,因此需要明确隧道管片止水带的材料规格、性能要求,并参考国际标准:

国际上用于输水/排水隧道的相关标准为BS EN 681-1《弹性密封件——用于输水排水隧道的管接头密封材料要求》
较恶劣条件下的隧道则使用BS EN 682:2002《弹性密封件——用于输送气体和烃类流体的隧道管接头密封材料要求》

标准中规定了一组参数,涵盖了止水带的所有物理性能要求,如硬度、拉伸强度、水中体积变化与伸展率等。其中,压缩永久变形应力松弛是影响止水带长期性能的两大重要指标:

压缩永久变形
压缩永久变形,是指橡胶在压缩一段时间后恢复其原始形状的能力。如图所示,示例中的橡胶受到压缩荷载后再除去,压缩永久变形性能良好的橡胶材料几乎恢复到其原始形状和尺寸;而该性能较差的橡胶则无法恢复(如橡皮泥)。

此处需解释“几乎”一词:受到压缩后的橡胶材料一定会有一定程度的变形,如果它受到极大的压缩荷载,便无法100%恢复到原始形状,但是合理配比的橡胶化合物可以恢复至原始形状的至少95%,理想材料可达98%。

当止水带安装于给定的面积或体积(如隧道管片中的止水带压槽)中时,橡胶是不可压缩的,其压缩与变形能力取决于内部空间结构,此时材料的内部空间与支撑将成为影响变形的主要因素。从图中可以看出,配比不良的材料会对止水带的整体性能产生重大影响。
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_5

应力松弛
应力松弛是指:受到压缩或拉伸并保持在负载下的橡胶将在一段时间后开始松弛,并只需要较少的力来维持相同的变形。

英国拉夫堡大学Birley教授在1980年代中期的研究确定了应力松弛与密封功能之间的相关性,开发了一种加速应力松弛测试,并确定,只要剩余至少30%的残余应力,就有足够的力(能量)形成密封。如今英国隧道协会/ ICE隧道规范中将该数值翻倍,规定止水带材料在其设计寿命结束时预计的残余应力应至少为其承受短期压力的65%。这一数值要求也与水密测试压力有关,在65%残余应力下,可对压力测试中可能出现的任何差异或变化进行调整补偿。

应力松弛示例如下图所示,橡皮对施加的负载产生阻力,并在其预期寿命内持续施加应力。当材料的应力松弛性能较差时,它将在给定负载下不断被压缩。换句话说,在固定初始变形的情况下(同止水带在管片接头中的情况一样),橡胶内的能量(保持压缩所需的载荷)将逐渐消散,最终失去密封性。
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_6
一般工程人员可能难以区分压缩永久变形与应力松弛的区别,但从长期来看两者是存在联系的:在两者的共同作用下,对于给定的剖面结构,两者基本确定了储存在止水带中的能量,而这些能量的多少则代表着密封性能的好坏。

选择止水带时考虑的另一大因素是材料对于微生物侵袭的抵抗能力。尽管EPDM和NBR都是合成橡胶,但这并不意味着其能够天然抵抗微生物侵袭;微生物会导致橡胶逐渐老化,橡胶将在较短的时间内降解劣化,短则几年长则几十年,无法达到目前隧道百年寿命的要求。

目前英国使用BS 7874标准,《管道和管道接头弹性密封的微生物降解测试方法》来确定材料的抗微生物降解性能。



亲水
材料
除了机械密封橡胶止水带之外,还有另一种材料也可以用于管片止水带——即与水接触后将其吸收并溶胀的亲水性材料。

与机械密封止水带相似,亲水材料止水带也由多种成分与材料组成,使其具备止水所需的性能,而其中的关键成分是高吸水树脂(SAP)。

亲水止水带可独立使用,也可以与机械橡胶止水带结合使用,具体可以安装到橡胶止水带中,或者在橡胶止水带表面覆盖亲水层。
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_7
 欧美管片止水带技术综述:材料篇_8

目前,尚不明确是否存在一种能够完全满足止水所需物理与化学耐受性能的亲水材料,在这一点上似乎不及机械密封橡胶止水带。

同时,在高吸水树脂在一段时间内将会逐渐迁移并从止水带中散逸,导致其与水接触时的溶胀能力逐渐降低。在实验中,若反复将亲水止水带材料浸入杯中再拿出,便能清晰地观察到这种情况——水会逐渐变得浑浊,亲水材料在干燥时也会变得脆弱。

此外,尚不明确是否存在能够抵抗微生物侵袭的亲水性材料——根据VIP-Polymers进行的试验表明,亲水性材料对于微生物侵袭的抗性极差(近乎于无)。这给亲水材料止水带的耐久性带来了极大的挑战,仍需要进一步的长期研究,对亲水材料的性能与耐久性做出改进。
Summary
总 结
总而言之,对于管片衬砌隧道来说,止水带的材料与其尺寸、断面同样重要,而选择材料的关键则是对隧道内外环境与条件的充分理解。同时,在不同的隧道内,对于止水带需要满足的性能与要求必须清晰明确,根据这些要求而采用的止水带才能为隧道提供长久可靠的止水效果。

下一期的连载中,小编将为您介绍止水带的验证试验,看看这些实验如何引领了止水带技术的发展!

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 发表于2019-10-12   |  只看该作者       筑龙币+10

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