季节性冻土区服役条件下竹复合管材吸湿特性

张家阳 苏安双 费本华 吴志琴 马建新

(1 黑龙江省水利科学研究院 哈尔滨 150080；2 国际竹藤中心 北京 100102；3 浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司 杭州 311253)

竹复合管是将连续的竹篾作为基材，辅以热固性树脂为胶黏剂，采用缠绕工艺方式制成的新型生物基复合管[1]。复合管具有原材料可再生、承压能力强、保温性能好、抗震能力强、使用寿命长、节能低碳、质量较轻、综合造价低等诸多特点[2-3]。通过连续缠绕薄竹蔑自动化加工技术，充分发挥竹材轴向拉伸强度高的特性，制成新型生物基复合材料，竹复合管的生产充分利用竹资源和劳动力，有效解决了传统竹产业加工制造的分散、技术粗放、高耗能、附加值低、牺牲环境、徒耗资源等诸多弊端，符合绿色发展理念，引领产业向集约型、低能耗、高附加值、智能化方向转型，形成规模效益[4]，其技术有着巨大的市场潜力和广阔的发展前景，可广泛应用于交通、市政、水利、建筑及军工等领域。

水分是影响竹复合材料性能的重要因素，其影响贯穿于材料的整个生命周期，从材料形成到后期产品的加工、制备、使用等[5]。江泽慧等[6]研究认为，对于0.5、1.5、2.5、4.5年生的竹材，年龄较小的竹材其剪切强度受含水率的影响较大。王汉坤等[7]研究竹材纤维纵向拉伸的力学性能时发现，竹材含水率在由5%增至26%时，竹材的拉伸强度呈线性下降，但其断裂伸长率则出现小幅度的增加。Yu等[8]发现，当含水率低小于10.8%时，竹材的拉伸强度对水分变化不敏感。Zhang等[9]测试了竹材的微纤化纤维素的力学性能，发现竹材随含水率从0增至60%，其拉伸强度呈现下降、但断裂伸长率增加的趋势。曹金珍[10]从热力学角度研究木材的水分吸着过程时发现，在含水率较低时，水分子主要是与自己结合，而随着含水率进一步增加，水分子才会逐渐与木材结合。

复合材料在使用中，吸湿后其性能会发生改变[11-12]。当外界温湿度改变时，成型后的管材会发生溶胀、脱胶等现象，严重时会出现跳丝、瓦状变形、开裂等现象[13-15]。研究发现，竹塑复合材料[16]及用竹纤维和树脂制备成的竹纤维复合材料[17]，均存在产品密度较低、胶粘能力差的现象；当外界温湿度改变时，则存在尺寸稳定性差、产品发生跳丝或开裂现象[18]。当竹基纤维复合材料历经水分、温度和应力等联合作用后，产生湿胀或干缩，导致尺寸不稳定，在其内应力驱使下发生翘曲、变形、开裂等劣化过程，劣化机制是水分对竹木细胞壁、界面胶合剂产生了影响，并引起物理力学性能的变化[19-21]。竹复合材料在季节性冻土区应用时，会经历更为复杂的服役条件，老化问题随之而来，吸湿性作为评价竹复合材料耐水性的重要指标，研究提高材料的防水性能，推动竹复合材料产品的应用，具有重要的意义。

本文测试了竹复合管材在模拟季冻区敷设、埋设服役工况下的吸湿特性，不同含水率下管材的力学性能，同时比较分析了6种防护措施下的吸湿特性优劣情况。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为竹复合管材，由浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司制备。竹复合管材主要由竹篾、树脂、防辐射填料、固化剂、网格布等组成，平板规格为长300 mm、宽300 mm、厚度10.0～12.0 mm。

1.2 试件制备

依据标准《竹缠绕复合管》(GB/T 37805-2019)制备试件[22]。制作长(120±1) mm、宽(15±0.2) mm、厚(10±0.2) mm的长条，在标准试验环境状态下，对试件进行状态调节至少24 h。为符合管道实际运行状态，将试件5个面进行热固性树脂刮涂处理，保留贴近环境面进行试验。

1.3 试验内容

1) 标准工况试件吸湿特性测试。依据标准《竹缠绕复合管》(GB/T 37805-2019)试验方法，分别将试件完全浸入23 ℃水温和沸水工况中进行试验，测试试件在无防护措施(CK)及不同防护措施下的吸水率。试件设置6种防护措施(图1)：防水胶浆、沥青涂料、聚脲涂层、防水卷材、改性水泥、976防护材料；无防护措施试件为未做任何防护措施处理的竹复合管材。

注：a)沥青涂料；b)聚脲涂层；c)防水胶浆；d)防水卷材；e)改性水泥； f)976防护材料。图1 不同防水措施处理的试件Fig.1 The specimens treated with different waterproof measures

2) 埋设工况试件吸湿特性测试。季节性冻土指地表层冬季冻结、夏季全部融化的土(岩)，其下部则为常年处于0 ℃以上的暖土层。依据季节性冻土区不同深度的水稻田土温与含水率数据(表1)，模拟季节性冻土区埋设试验工况，将试件埋设在不同含水率(20%、26%、32%)的土体中，以及模拟不同土体温度0 ℃、5 ℃、10 ℃的恒温条件中(图2a)，分别测试试件在0、5、10、20、30、40 d后的吸水情况，计算试件的吸水率。

注：a)埋设工况；b)敷设工况。图2 试件实际服役条件工况模拟Fig.2 The simulation of actual service condition for the specimens

表1 季节性冻土区水稻田的土壤温度及含水率Tab.1 The soil temperature and moisture content of paddy field in seasonal frozen soil region

3) 敷设工况试件吸湿特性测试。保证环境相对湿度恒定为90%，分别于10 ℃、20 ℃、30 ℃不同恒温环境下(图2b)，测试试件在0、5、10、20、30、40 d后的吸水情况，计算试件的吸水率。

4) 力学性能测试。依据标准《竹缠绕复合管》(GB/T 37805-2019)方法调节试件初始状态，配置9.5%、65%、75%、85%、90%不同含水率下管材试件，在标准试验条件下[温度(23±2)℃，相对湿度(60±15)%]进行力学试验，分析含水率对材料力学性能影响。

2 结果与分析

2.1 不同防护措施下试件吸湿特性

由试验结果(表2)可知，采取不同防护措施，试件吸水率均有所下降，其中聚脲涂层处理效果最好。经聚脲涂层和防水胶浆处理后的竹复合材料尺寸稳定性好，且受水温影响小。

表2 不同防护措施下试件的吸水率Tab.2 The water absorption rate of the specimen with different protective measures

2.2 埋设条件下试件吸湿特性

由表3可知，在土体含水率恒定条件下，随着土体温度由0℃升高至10℃，试件吸水率逐渐增加。在土体温度恒定条件下，随着土体含水率增加，试件吸水率亦逐渐增加。在土体含水率32%时、不同土体温度下，与试件30 d时的吸水率相比，40 d时的吸水率变化值小于5%，表明竹复合管材最终吸水率会趋于稳定值。

表3 埋设工况下试件的吸水率Tab.3 The water absorption rate of the specimen under different embedding conditions

2.3 敷设条件下试件吸湿特性

由图3可知，在环境相对湿度恒定为90%时，在环境温度10 ℃、20 ℃、30 ℃下，温度越高，试件吸水率越大；随敷设时间增加，吸水率变化呈先快后慢的趋势，最终呈现平衡稳定状态。

图3 不同环境温度下试件的吸水率Fig.3 The water absorption rate of specimen at different ambient temperatures

2.4 水分对试件力学性能影响

水分对竹木细胞壁、界面胶合剂产生影响，引起竹复合管材物理力学性能的变化，吸湿性能越强，对试件的力学性能影响越大[23]。由图4可知，当竹复合管材含水率由10%增加至65%时，试件力学强度衰减缓慢，拉伸强度衰减率为1.4%、压缩强度衰减率为1.6%、弯曲强度衰减率为5.7%；当试件含水率由65%增加至90%时，其力学强度衰减加快，拉伸强度衰减率为34.1%、压缩强度衰减率为25.6%、弯曲强度衰减率为15.4%。

图4 不同含水率试件的力学性能Fig.4 The mechanical properties of specimen with different water content

由王汉坤的研究[24]可知，水分对竹材力学性能的影响较大，竹材含水率由10%变化至65%时，其顺纹抗压强度下降49.52%，顺纹抗拉强度下降24.81%，顺纹抗剪强度下降32.37%，降幅均明显高于竹复合管材力学性能的变化。竹复合管材吸水率直接影响材料的拉伸强度，而密度、竹种、离地高度等其他因素也影响着竹复合管材的力学性能，对于竹复合管材需深入开展相关研究，保证产品实用性。

3 结论

1) 竹复合管材经过6种不同防护措施处理后，其吸水率均小于无防护处理，其中聚脲涂层处理的效果最好，竹复合管材稳定性好。

2) 经过40 d模拟试验，在不同土体含水率埋设条件下，竹复合管材吸水率为32%～37%；在敷设工况下，竹复合管材吸水率为10%～15%。

3) 竹复合管材含水率在65%以下时，力学性能衰减率在5%左右；当含水率达到65%以上，竹复合管材力学性能衰减加快，需要进一步考虑防水措施，保证管道服役稳定性，提升产品性能。