聚氨酯软木垫层材料压缩模量的特性及影响因素

2023年12月2日发(作者：迁徙的意思)

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水力发电　第３６卷第５期　２０１０年５月　聚氨酯软木垫层材料压缩模量的　ｆ￣Ｊ－＇ｌ生及影响因素　－甘启蒙　（西安林产化学工厂，陕西西安　７１００７７）　摘要：通过介绍聚氨酯软木垫层材料压缩模量的试验方法，分析了压缩模量的特性及影响因素。分析结果表明：　聚氨酯软木垫层材料压缩模量的特性近似于弹性材料的非线性曲线：试验方法、聚氨酯软木垫层材料的容重和粒度　均对压缩模量有影响。　关键词：聚氨酯软木；钢蜗壳；垫层材料；压缩模量　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　Ｆａｃｔｏｒｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ　Ｃｏｒｋ　Ｃｕｓｈｉｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｇａｎ　Ｑｉｍｅｎｇ　（ｘｉ　ａｎ　Ｆｏｒｅｓｔ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｌａｎｔ．Ｘｉ＂ａｎ　Ｓｈａａｎｘｉ　７１００７７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ（ＰＵ）ｃｏｒｋ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｉｓ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ＰＵ　ｃｏｒｋ　ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａ１　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ　ｃｏｒｋ；ｓｔｅｅｌ　ｓｐｉｒａｌ　ｃａｓｅ；ｃｕｓｈｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｕｓ　中图分类号：ＴＵ５３１．１４；ＴＶ７４１　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１０）０５—００８２—０３　０引言　层材料的主要力学参数——压缩模量的特性及影响　因素进行分析。　垫层蜗壳是我国大中型水电站主要采用的结构　形式之一。设置垫层的一种理念是通过垫层材料减　少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递内水压力，充　分发挥钢衬的承载力。改善外围钢筋混凝土的应力　状态．提高其抗裂安全度ｌ１ｌ。另一种理念是让垫层材　１聚氨酯软木垫层材料压缩模量的特性及试　验方法　软木是栓皮栎树的木栓质部分（栓皮），因质地　轻软富有弹性又俗称软木。聚氨酯软木制品是由栓　皮经粉碎、筛分、风选所得到的纯净软木粒，与优　质弹性体树脂聚氨酯胶结、固化、切片及成型而制　料起定量调节钢蜗壳和外围钢筋混凝土分担内水压　力比例的作用。垫层材料的物理力学性能直接关系　到钢蜗壳与外围钢筋混凝土分担内水压力比例的大　小嘲。水电站钢蜗壳外包垫层材料的主要力学参数是　压缩模量，据此确定垫层的物理参数，计算钢蜗壳　的内水压力传递给＃１－包钢筋混凝土的比例。当钢蜗　壳受水压膨胀变形时，垫层材料受压缩，按照设计　得。为求得聚氨酯软木垫层材料非线性弹性压缩模　量，需进行垫层材料的加载试验。　（１）取容重为２　４００　ｋＮ／ｍ　、软木粒度为８～１２　目（即８目的筛下物，１２目的筛上物。以下类同）、　厚度为３０　ｍｌＴｌ的垫层材料，首先成型为３０　Ｃ１ＴＩ：的圆　要求传递内水压力，并吸收、衰减振动。当水头下　降，压力变小时，仍需垫层材料回弹传递内水压力。　这就要求垫层材料压缩回弹性好，残余变形小，而　且力学性能需要长时间稳定。本文就聚氨酯软木垫　收稿日期：２０１０—０２—２３　作者简介：甘启蒙（１９５７一），女，四川内江人，高级工程师，长　期从事软木制品研发及经营管理工作．　圈Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．５　第３６卷第５期　甘启蒙：聚氨酯软木垫层材料压缩模量的特性及影响因素　形试样，放人内径为６．１８　ｃｍ的上压力盒内，试验加压　采用三联固结仪。在实验前对该仪器进行率定。用　砝码加载，用百分表测变形量，用时钟计时。最大　加压为０．８　ＭＰａ，级差为０．２　ＭＰａ，试验加载次数为　２０次，试验数据见表１。　表１不同压应力下的试样应变　％　（２）根据反复加、卸载试验结果，确定垫层长　期工作状态下（即加、卸载次数ｎ一。。）卸载至零　的残余应变，以及各加载次数所得的应变。根据共　凡次（　＝２０）加载后，再卸载至零所得到的残余应　变值　可作出加载次数凡一西曲线（见图１）。同　理，根据各加载次数所得的应变ｓ　，可作出ｎ—　曲　线。平行纵轴作ｎ一　及　一　曲线的渐近线，即可　得到　一　时的残余应变　及总应变　（见表２）。　爵　１４１５ｌ６１７ｌ８１９　２Ｏ　２ｌ　２２　２３　２４　２５　２６　２７　２８　２９　３０　３１　３２　／％　图１　循环次数一残余应变曲线　表２垫层特征值　由表１可求得第２０次加载后的应力、应变值，　作出应力一应变曲线（见图２），各应力段对应曲线　的斜率即压缩模量值。由图２可知，聚氨酯软木垫　层材料的压缩模量特性是近似于弹性材料的非线性　曲线。随着压力的增大，其应变也在增大，非线性　压缩模量也在增大。　应力／ＭＰａ　图２应力一应变曲线　对聚氨酯软木垫层材料在有侧限条件下的试验　结果表明，最大加压为０．８５　ＭＰａ、容重在２　８００～　３　４００　ｋＮ／ｍ　变化时，其非线性弹性工作有效压缩模　量为３．６～５．２　ＭＰａ，残余应变为０．０６７～０．１２。这种特　征值的聚氨酯软木垫层适合作传力垫层，并已经在　李家峡、公伯峡、拉西瓦等电站实际运用。由表２　垫层的特征值可见，若选取容重小、较厚的聚氨酯　软木垫层材料，其压缩模量小，残余变形大，不适　合作传力垫层，可作减力垫层。　由于各工程条件不同，选用的垫层材料不同。　有的电站要求垫层传力；有的电站则要求通过垫层　减少传力，改善外围钢筋混凝土的应力状态，提高　其抗裂安全度。因此，设计前应进行材料的力学性　能试验．以便准确进行设计．或选用成熟配方生产　的、经过测试验证的垫层材料。　２影响聚氨酯软木垫层材料压缩模量的因素　２．１　软木粒度对压缩模量的影响　聚氨酯软木垫层材料的弹性主要取决于软木粒　的弹性。因其细胞的空隙率为７５％～８０％。里面充满　了空气。粒度大，细胞的空隙总量多，细胞空气受　压缩后，产生的回弹力大。对两组软木粒度不同的　聚氨酯软木垫层材料试样进行试验，样１用８～ｌ２目　（简称“１２目”）软木粒，样２用６～８目和８～１２目　（简称“８目＋１２目”）软木粒各５０％，试样容重　均为２　１００　ｋＮ／ｍ　。对试样进行５级（最大加压为　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｕｗ　．３６．／Ｖｏ．５固　量＼删　好　幺互＆　Ｌ　Ｌ　Ｌ　Ｌ　载荷级别　图３不同粒度材料的压缩模置曲线　０．９１　ＭＰａ，级差为０．１８２　ＭＰａ）加卸、载试验，压　缩模量随载荷级别变化见图３。１２目和８目＋１２目　的第５级的残余应变分别为１５％、１３．２％。　由图３可见．粒度１２目＋８目比粒度１２目试样　的压缩模量大、残余应变小。即粒度大．压缩模量　增大，回弹性好，残余应变小。　２．２软木容重对压缩模量的影响　聚氨酯软木垫层材料的压缩模量与其容重密切　相关。下面的两组试验，其容重分别为２　７００、　３　２００　ｋＮ／ｍ　，软木粒度为８～１２目。最大加载为１．４３　ＭＰａ，级差为０．１１　ＭＰａ，共ｌ４级。加、卸载次数为　５次，得出对比试验结果见图４　图４不ｌ司容重材料的压缩模置曲线　由图４可见，容重增大，压缩模量增大。通过　调整软木颗粒的级配和聚氨酯用量改变垫层材料的　容重，可以达到调整垫层压缩模量的目的。　２．３压缩次数对压缩模量的影响　水电站在不同的季节，库水位会变化。随着水　头的变化，蜗壳的内水压力会变化。对钢蜗壳外包　的垫层材料，承受长期的变载负荷，必然产生疲劳　徐变。实际应用中要求材料的疲劳徐变越小越好，　垫层材料一旦埋入混凝土中就是几十年．希望垫层　材料能长期保持其力学性能的稳定。因此．作垫层　材料测试时，不能只作一次逐级加载试验就确定它　的压缩模量值，而必须反复进行多次逐级加、卸载　圜Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．５　试验来确定，才能满足工程实际需要。　垒＼删辎姆醴　由表１可求得。第一次加载的压缩模量值为　＆　＆互互互互　１．８７　ＭＰａ．第２０次反复加、卸载的压缩模量值为　１．６８　ＭＰａ。可见，反复加、卸载后压缩模量变小。　根据拉西瓦等电站垫层材料的实际检测情况，　推荐以２０次逐级加、卸载检测数据来确定压缩模量　值为宜　２．４测试时有无侧限对压缩模量的影响　聚氨酯软木垫层材料粘贴在钢蜗壳外表面，是　一块紧挨着一块粘贴的，垫层材料外包钢筋混凝土。　蜗壳受内水压力膨胀时，压缩垫层材料，使聚氨酯　软木垫层材料的侧边受到相互的挤压限制，可视作　有侧限。因此在试验时，试样应成型为３０　ｅｍ　的圆　形试样，放入内径为６．１８　ｃｍ的上压力盒内，这样　测试的结果更接近水电站的实际运行情况。　拉西瓦水电站所用聚氨酯软木垫层材料的测试　即是在有侧限的条件下，用２０次逐级加、卸载检测　结果计算的压缩模量值。　３结语　通过介绍聚氨酯软木垫层材料压缩模量的试验　方法，分析了压缩模量的特性及影响因素。根据试　验结果可以得出以下几点结论：　（１）聚氨酯软木垫层材料的压缩模量特性是近　似于弹性材料的非线性曲线。随着压力的增大，应　变增大．非线性压缩模量也在增大。这种非线性压　缩模量的变化是有规律可循的。　（２）聚氨酯软木垫层材料的容重及软木的粒度　对压缩模量均有影响。容重大，压缩模量增大，残　余变形减小。软木粒度大，压缩模量增大，回弹性　好，残余变形减小。用作水电站钢蜗壳外包垫层材　料的粒度以６～１２目为宜。　（３）试验方法对聚氨酯软木垫层材料的压缩模　量的计算结果有影响。推荐进行有侧限，２０次逐级　加、卸载试验所得数据来确定压缩模量值。　（４）由于各工程条件不同，选用垫层材料不同，　设计前应进行材料的力学性能试验，以便准确进行　设计，或者选用成熟配方生产的、经过工程测试验　证的垫层材料。　参考文献：　［１］付洪霞，马震岳，董毓新．水电站蜗壳垫层结构研究［Ｊ］．水利　学报，２００３，３４（６）：８５—８９．　［２］甘启蒙．聚氨酯软木垫层材料在水电站的应用［Ｊ］．水力发电，　２００８，３４（１２）：１０７—１０９．　（责任编辑周晓蔚）　

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