大坝止水结构高分子防护材料耐久性预测研究

何旭升，赵 波，张浦玺

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100000；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

传统混凝土面板堆石坝面板接缝表层止水结构中，防护盖板的材料多采用三元乙丙橡胶板，用由扁钢和螺栓组成的锚固体系安装固定，由中国水利水电科学研究院研发的新型涂覆型盖板采用聚脲涂覆成膜，取消了锚固体系，表面光滑平整、无接缝，整体性更好[1]，但其耐老化性能尚缺乏对比试验支持。本文以阿尔塔什大坝(新疆克州阿克陶县库斯拉甫乡境内)所在的新疆喀什地区气候状况作为边界条件，对三元乙丙橡胶盖板、新型涂覆型聚脲盖板以及起参照作用的天然橡胶盖板，进行耐老化性能试验，并据此进行了服役寿命的预测，作为工程应用的参考。

目前材料的老化研究主要有两类方法，一是自然环境老化试验，二是人工加速老化试验。由于人工加速老化试验方法可以在短时间内得到某种材料的老化表征数据，所以国内外普遍采用这种方法来评价材料的抗老化性能[2]。

新疆南疆地区区别于国内其他地区的最大特点就是日照充足，紫外线辐射强烈。氙弧灯的光谱非常接近于太阳光光谱，非常适合评价材料在自然条件下的耐光照老化性能，本文采用氙弧灯人工气候老化法对止水材料进行老化性能研究，通过考察材料的拉伸应力应变评价其性能变化。

1 氙弧灯人工气候老化寿命预测方法

氙弧灯老化试验是一个复合老化试验，包括光、热、空气、湿度和降雨等老化因素，是模拟自然老化环境的试验方法。氙弧灯气候老化试验通常是对不同材料的耐候性能进行对比评价，从而对选择合适的材料给出建议。用其进行寿命预测是比较困难的，目前国内外没有形成可参考的标准方法。通常是建立氙弧灯人工气候老化试验结果与当地自然暴露老化试验结果的相关性，在此基础上进行使用寿命预测。而且对于不同品种、不同配方的材料，两种老化试验的相关性没有联系，即对什么产品进行预测，都要首先针对此产品建立两种老化试验的相关性。

本研究首先比较3种材料的氙弧灯老化试验结果，可以对3种材料的相对耐候性能有一个认识。在此基础上，参考国内外高分子材料在自然和人工气候条件下老化试验的相关性研究成果，考虑到聚合物光化学降解反应主要由太阳光中的紫外光引起的，在研究材料在自然和人工气候条件下老化试验的相关性时，主要考虑试样所接受的紫外光辐照能，建立试验结果与实际应用环境下太阳紫外光辐照总量的联系[3]，给出工程应用上的参考值。

近年来人们考虑到聚合物光化学降解反应主要由太阳光中的紫外光引起的，在研究材料在自然和人工气候条件下老化试验的相关性时，主要是考虑试样所接受的紫外光辐照能。国内外一些学者进行了这方面的探索[5- 9]。

关于老化试验材料性能与老化时间的关系，国内学者叶苑梣等提出断裂伸长率与辐照量的关系式：

1-L/L0=Q0+KQ

(1)

式中，Q0、K—试验常数；Q—老化紫外辐照量，MJ/m2。本实验中采用这个关系式对加速老化的临界老化时间进行预测。

另外一个问题是加速老化与自然气候老化的对应关系，叶苑梣等通过氙弧灯老化试验与自然老化试验的对比，认为可以通过试样接受的紫外光(300～400nm)辐照能量建立加速老化与自然老化的相关关系，其结论是材料达到相同老化性能时，自然老化的紫外辐照能量与加速老化紫外辐照能量有线性关系。线性关系的具体形式与材料具体使用地区的辐照强度、温度、降雨等有关。叶苑梣等建立了聚烯烃材料广州地区(年平均气温22.1℃)的、以老化系数0.5得到的相关关系为：

Qn=-17.5+2.1Qa

(2)

式中，Qn—自然老化紫外辐照量，MJ/m2；Qa—加速老化紫外辐照量，MJ/m2。

由于没有和田地区材料自然老化的试验值，在本试验中借鉴式(2)作为加速老化紫外辐照量和自然老化辐照量折算关系，其结果作为光老化估算的基础，探索由人工气候老化试验去预报户外自然气候老化试验的时间。

2 氙弧灯老化试验方法

2.1 设备

LHS-XⅡ- 65型氙弧灯人工气候老化试验箱；长弧水冷氙灯；硼硅玻璃滤光罩。

2.2 试验方法

采用GB/T 3511—2008/ISO 4665：1998《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐候性》中规定的氙灯人工气候老化暴露方法，具体试验参数：①黑板温度：55℃；②相对湿度：60%～70%；③工作室温度：40℃；④辐照强度：0～340nm强度0.46W/m2；⑤降雨周期：降雨18min，间隔干燥102min；⑥每组试样数：GB/T 528—2008规定的Ⅰ型哑铃型试样，5片为1组。为了考察氙弧灯老化对试样性能劣化的影响深度，试验中把叠合3层试样进行照射试验，比较不同层试样的老化速度，试片每层厚度为2mm左右。

3 氙灯老化与寿命预测结果

3.1 工程环境气候基础数据

喀什地区地处气候干燥、日照时间长，平均年太阳辐射总量约为5907MJ/m2(据气象查询结果)其中紫外光照射强度约占总辐射的5.6%(据《聚合物防老化使用手册》)，因此实际年紫外光照射强度约为330.8MJ/m2。气象观测的辐照量是水平太阳辐照总量，而实际坝面接受的是1.4坡比(常规混凝土面板堆石坝迎水面面板坡度)斜面的辐射量，因此坝面上辐照强度约为192.3MJ/m2。下面分别对三元乙丙橡胶盖板、天然橡胶盖板和涂覆型聚脲盖板的光老化性能进行试验研究。

3.2 三元乙丙橡胶盖板寿命预测

紫外光对橡胶材料性能的影响是很复杂的，综合起来主要有2个相反的方向，一个是促使材料的降解，另一个是使材料交联度增加，而且两方面的影响可以同时起作用，不同阶段影响的程度不同。从表1中分层三元乙丙胶板(每层2mm，3层合计6mm)的强度数据可以看出，三元乙丙胶的强度随辐照时间的变化不明显或稍有增大的趋势，可以说明在试验周期内，气候老化对三元乙丙橡胶的影响作用很复杂，可能是交联多于降解，所以根据试验结果很难由强度说明材料的使用寿命。而伸长率的变化却是很明显的，因为无论是交联和降解都会使伸长率降低，而伸长率的降低是三元乙丙材料性能劣化的主要指标，也是影响其使用性能的主要指标。由此，以伸长率来考察三元乙丙的使用性能和寿命是合理的。

表1 三元乙丙试样氙弧灯老化数据

图1是三元乙丙胶在氙弧灯不同辐照时间条件下，不同胶层的断裂伸长率的变化情况。

图1 不同层三元乙丙试样辐照时间对伸长率的影响

由图1曲线可见，对于3层叠合的辐照试样(每层2mm，3层合计6mm)，第二层和第三层的伸长率变化程度没有有明显差异，而第一层的变化与其他两层有显著的不同。由此可以认为光的辐照老化作用对第二层和第三层几乎没有影响，也就是说光辐照对三元乙丙盖板的影响深处不超过2mm。

所以在这里只对第一层的三元乙丙老化数据进行使用寿命的预测研究。

(1)临界老化时间预测

采用经验公式(1)进行临界老化时间预测，仍然取L/L0=0.25作为老化系数。表2是三元乙丙胶剩余伸长率与辐照时间的关系数据。其中L0=538%是未辐照试样的伸长率。

表2 三元乙丙剩余伸长与辐照时间回归数据

图2为剩余伸长与辐照时间的回归关系曲线。

图2 三元乙丙试样1-L/L0～t回归曲线

由回归关系式：

1-L/L0=0.0786+0.0001t

(3)

及老化系数L/L0=0.25得到氙弧灯加速老化的临近老化时间：

tc=6714h

本项目试验设备紫外光辐照度为50W/m2(300～400nm波长范围)。

根据氙弧灯老化箱的设备参数可以换算试样收到的紫外光的辐照量为：

Qa=50×3600×6714=1208.5MJ/m2

(2)自然环境使用寿命预测

按照式(2)可以折算出自然环境下材料达到临近老化的紫外光辐照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=2520.4MJ/m2

按和田玉龙喀什水利枢纽坝面实际年紫外光照射强度约为192.3MJ/m2，可以得到预期的使用寿命约为：2520.4/192.3=13.1年。

3.3 天然橡胶盖板寿命预测

表3是天然橡胶盖板的氙弧灯老化数据。全部老化试样表面光滑没有裂纹。

表3 天然橡胶试样氙弧灯老化数据

图3是天然橡胶盖板氙弧灯不同辐照时间，不同胶层的断裂伸长率的变化情况。

图3 不同层天然橡胶试样辐照时间对性能的影响

由图3(a)中可以看出，天然橡胶试样经过照射，第一层的强度下降很快，第二层与第三层的强度下降幅度有所不同，这一点与三元乙丙胶不同，说明止水带在辐照过程中第二层也受到了影响，图3(b)中也可以印证这一点。

天然橡胶盖板在应用中不会直接暴露在阳光下，所以其耐光照性能并不是工程应用很关心的问题，在这里对其第一层进行研究，目的是与三元乙丙盖板和涂覆型盖板做一对比。分析中仍然采用伸长率作为考察指标，老化系数仍采用0.25。

(1)氙弧灯加速老化的临界老化时间预测

采用3.2中同样的计算方法，取L/L0=0.25作为老化系数。表4是天然橡胶试样剩余伸长率与辐照时间的关系数据。其中L0=410%是未辐照试样的伸长率。

表4 天然橡胶试样剩余伸长与辐照时间回归数据

图4为剩余伸长与辐照时间的回归关系曲线。

图4 天然橡胶试样1-L/L0～t回归曲线

由回归关系式：

1-L/L0=2.2038+0.0002t

及老化系数L/L0=0.25得到氙弧灯加速老化的临近老化时间：

tc=2731h

(2)自然环境使用寿命预测

本项目试验设备紫外光辐照度为50W/m2(300～400nm波长范围)。

根据氙弧灯老化箱的设备参数可以换算试样收到的紫外光的辐照量为：

Qa=50×3600×2731=491.6MJ/m2

按照式(2)可以折算出自然环境下材料达到临近老化的紫外光辐照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=1014.9MJ/m2

按新疆喀什地区坝面实际年紫外光照射强度约为192.3MJ/m2，可以得到预期的使用寿命约为：1014.9/192.3=5.3年。

3.4 涂覆型聚脲盖板寿命预测

表5是涂覆型聚脲盖板的氙弧灯老化数据。全部老化试样表面光滑没有裂纹。

表5 涂覆型聚脲盖板试样氙弧灯老化数据

聚脲盖板在应用中直接暴露在阳光下，所以其耐光照性能是工程应用很关心的问题，本部分分析中仍然采用伸长率作为考察指标，老化系数仍采用0.25。

(1)氙弧灯加速老化的临界老化时间预测

采用3.2中同样的计算方法，取L/L0=0.25作为老化系数。表6是聚脲试样剩余伸长率与辐照时间的关系数据。其中L0=456%是未辐照试样的伸长率。

表6 聚脲盖板试样剩余伸长与辐照时间回归数据

图5为剩余伸长与辐照时间的回归关系曲线。

图5 聚脲盖板试样1-L/L0～t回归曲线tc=5085h

由回归关系式：

1-L/L0=0.08898+0.00013t

及老化系数L/L0=0.25得到氙弧灯加速老化的临近老化时间：

(2)自然环境使用寿命预测

本项目试验设备紫外光辐照度为50W/m2(300～400nm波长范围)。

根据氙弧灯老化箱的设备参数可以换算试样收到的紫外光的辐照量为：

Qa=50×3600×5085=915.3MJ/m2

按照式(2)可以折算出自然环境下材料达到临近老化的紫外光辐照量：

Qn=-17.5+2.1Qa=1904.6MJ/m2

按工程所在地实际年紫外光照射强度为192.3MJ/m2，可以得到涂覆型聚脲盖板预期的使用寿命约为：1904.6/192.3=9.9年。

4 关于防护材料使用寿命的讨论

三元乙丙橡胶盖板、天然橡胶盖板和及涂覆型聚脲盖板3种材料的寿命预测结果见表7。

表7 3种盖板(氙弧灯老化)工程预期寿命汇总表

氙弧灯加速气候老化是一个综合因素的老化模拟过程，包括光、湿气、温度、降雨等，所以可以应用于水上和水位变化区部分。表中氙灯老化寿命预测是基于2mm试验试件而言，而实际应用中盖板的厚度一般要超过2mm。由多层试样氙灯老化试验可以看出，氙灯光老化对第一层2mm试样的影响比较大，而对第二层、第三层影响比较小，也就是2mm以下材料的性能降低可以认为是热老化或湿热老化的结果。

工程应用中盖板厚度一般要在4mm以上，此时的应用条件可以认为外层2mm受到光老化影响，其寿命可以按光老化结果预测；而内层材料(外层2mm以内的胶层)可以按热氧老化或湿热老化进行寿命预测。据中国水利水电科学研究院已有研究结论，在年均温度12.3℃条件下，3种盖板的内层材料寿命都在40年以上[10]。所以整体上来看，盖板外层2mm材料性能虽然降低，但仍能阻止光老化对内层材料(可理解为结构防水层)的影响，所以作为整体，盖板的服役寿命应该可以超过40年。建议的盖板厚度应在4mm以上。

5 结语

聚合物材料有优异的力学和防水、止水性能，在大坝止水中应用普遍，但其长期耐候性一直是工程界关心的问题。本文以阿尔塔什大坝所处条件为基础，以氙灯辐照试验方法探讨了3种常用盖板材料的老化及寿命预测，为工程提供一个材料选择、工程维护的参考数据。老化寿命研究需要大量的数据积累，由于本课题研究时间相对较短，存在以下不足之处。

(1)材料断裂伸长率与辐照量的关系采用了国内学者研究聚烯烃类材料的结论，可带来一定误差。

(2)室内氙灯试验辐照量效果与实际辐照量之间的换算关系采用了广东地区聚烯烃材料的研究结论，也存在一定误差。如进行后续研究，应针对止水材料进行性能与辐照量关系的研究，并根据特定地区气候、辐照特点，通过数据积累建立与室内辐照试验的定量关系，可进一步提高结论的可靠性。