非水反应高聚物喷涂材料的动力特性

孙博，郭成超，陈震，王雪珂，王复明; SUN Bo; GUO Chengchao; CHEN Zhen; WANG Xueke; WANG Fuming

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非水反应高聚物喷涂材料的动力特性 PDF

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孙博 ^1,2,3,4
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郭成超 ^1,2,3,4
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陈震 ^1,2,3,4
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王雪珂 ^1,2,3,4
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王复明 ^1,2,3,4

1. 中山大学土木工程学院，广东广州 510275； 2. 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海 519080； 3. 中山大学广东省海洋土木工程重点实验室，广东广州 510275； 4. 中山大学广东省地下空间开发工程技术研究中心，广东广州 510275

中图分类号： TU411

最近更新：2023-05-30

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.05.006

摘要

基于扫描电镜和共振柱系统，研究了动剪应变、围压和密度对高聚物喷涂材料动力特性的耦合影响规律和机理.结果表明：随着动剪应变的增大，高聚物喷涂材料的动剪切模量呈线性减小，阻尼比增速先快后慢；相同密度条件下，围压越大，高聚物喷涂材料的动剪切模量越大，阻尼比越小；动剪应变、围压和密度对高聚物喷涂材料动剪切模量的耦合影响效应显著，围压和密度对其阻尼比的耦合影响效应显著；泡孔间的错动摩擦和对波动的传播衰减构成高聚物耗能机制，较高围压下，密度为0.250 g/cm³的高聚物喷涂材料表现出“耗能最优”.

关键词

高聚物喷涂材料; 动力特性; 共振柱; 动剪切模量; 阻尼比

随着中国“交通强国”战略的实施，穿越强震区及环境敏感区（学校、文物建筑、精密科研所等）的交通隧道大量涌现.如何保证强震区隧道的震时安全性及环境敏感区列车振时稳谧性是当前亟待解决的关键技术难题^［

1‑4］.目前，常用的手段是通过对隧道施设阻尼层来进行减震防护^{［参考文献 5

百度学术}5］和隔振降噪^{［参考文献 6

百度学术}6］.已有研究中，采用的阻尼材料主要以橡胶^{［参考文献 7

百度学术}7］、泡沫混凝土^{［参考文献 8

百度学术}8］及黏弹性沥青基^{［参考文献 9

百度学术}9］等传统材料为主，也有学者提出采用闭孔泡沫铝^{［参考文献 10

百度学术}10］、高分子复合材料^{［参考文献 11

百度学术}11］等. 但这些材料受限于自身属性和环境影响也存在一定的不足，如：耐腐蚀性较差、易老化、温度敏感及制备效率低等. 因此，研发新型减震隔振材料对确保隧道安全性和稳谧性具有重要的工程意义.

目前，针对高聚物喷涂材料的动力特性尚不清晰，探究该材料的动力学特性将有利于其在隧道工程减震隔振领域的应用.本文基于高聚物注浆材料优良特性^［

12‑15］和广泛应用^{［参考文献 16‑17}16‑17］的基础上，新研发了一种非水反应类高聚物喷涂材料，通过室内共振柱试验从宏观方面研究了动剪应变、围压和密度对高聚物喷涂材料动剪切模量和阻尼比的影响规律，并结合微观手段揭示其机理.本文旨在为隧道减震隔振提供新思路，相关研究成果可为隧道高聚物的减震隔振动力分析提供参数.

1 试验

1.1 原材料

试验所用高聚物喷涂材料（下文简称高聚物）为一种非水反应类双组分喷涂型聚氨酯类材料. 该高聚物由A、B双组分反应而成，A组分由组合多元醇及发泡剂（改性HFO‑1233zd体系）等添加剂组成的组合料，B组分是主要成分为异氰酸酯的原材料，双组分按质量比1∶1混合反应后生成高聚物. 在适宜的条件下，使用喷涂设备将A组分和B组分充分混合后直接喷涂在隧道初期支护表面，迅速发泡与隧道初衬形成一体，对隧道衬砌适应能力强，且无拼缝，从根本上消除了热桥影响.

1.2 试样制备

为尽可能还原现场施工中不同密度喷涂层自由膨胀的效果，本试验设计了双向开口的圆柱模具，并在常温（20 ℃）条件下，通过喷涂设备直接向涂有凡士林的模具喷涂混合浆液，材料膨胀固化后使用切割和打磨设备削掉因膨胀超出模具的部分材料，最终制成尺寸为 $ϕ$ 50×100 mm的标准圆柱体试样.

1.3 试验方法

基于扫描电镜（SEM）测试了不同密度高聚物试样的形貌与结构，并借助共振柱试验系统（GDS‑RCA）对高聚物进行动力特性试验.用动剪切模量G_d和阻尼比D表征高聚物的动力特性，并研究动剪应变γ_d、围压p和密度ρ对高聚物动力学特性的影响规律. 结合设备量程和隧道工程实际，设置激励电压U_E为0.002、0.005、0.010、0.020、0.050、0.100、0.200 V，ρ为0.122、0.250、0.307、0.352、0.396 g/cm³，p为50、100、200、300、400、500 kPa. 为保证试验结果的可信度和代表性，每组3个试样，结果取平均值.

对试样施加逐渐增大的激励电压，由系统自动记录试样出现最大振幅时对应的扭转共振频率f_nt，用于测定其动剪切模量G_d；阻尼比D通过自由振动法测得，当试样发生共振时切断动力，使其在无干扰力条件下自由振动，并测其衰减曲线，得到振次N与相对振幅A的关系曲线. 动剪切模量G_d与阻尼比D的计算式^［

18‑19］为：

G_{d} = (\frac{2 π f_{n t} h_{c}}{β_{s}}) ρ \times 10^{- 1}

（1）

D = \frac{1}{2 π} δ = \frac{1}{2 π m} l n \frac{A_{N}}{A_{N + m}}

（2）

式中：h_c为试样固结后的高度，cm；β_s为扭转无量纲频率因数；δ为对数递减率；A_N 、A_N+m分别为第N、N+m次振幅.

2 结果与讨论

2.1 高聚物的形貌

不同密度高聚物的SEM照片见图1.由图1可见：高聚物中有大量孔隙，属于泡孔结构材料；ρ=0.122 g/cm³试样的泡孔形状多为圆形和多边型，泡孔胞体间的间隙很小，接触面面积很大，接触比较紧密；ρ为0.250、0.307 g/cm³的试样泡孔形状为圆形或椭圆形，高密度试样的泡孔胞体间接触面小，泡孔间有较大的自由空间，这与高翔等^［

12］的研究结论一致.

图1 不同密度高聚物的SEM照片

Fig.1 SEM images of polymers with different densities

2.2 激励电压对动剪应变的影响

不同围压及不同密度下激励电压对高聚物动剪应变的影响规律相似.限于篇幅，本文仅给出围压p=400 kPa时高聚物的动剪应变与激励电压的关系，结果见图2.由图2可见：在相同密度下，激励电压越大，高聚物动剪应变越大，两者呈线性关系；密度越大，高聚物的动剪应变越小.这是因为激励电压越大，激振器产生的扭力越大，高聚物产生的动剪应变越大；密度越大，材料越密实，高聚物抵抗剪切变形能力越强，相同外力作用下，其产生的动剪应变越小. 在GDS‑RCA 共振柱试验中，材料变形在小变形（10^-6~10^-4）范围内，ρ=0.122 g/cm³试样在0.200 V激励电压下，其动剪应变大于0.10%，且数据表现出极大的离散性，在拆样后发现试样已发生显著变形，故舍弃该试样在U_E=0.200 V下的工况.

图2 高聚物动剪应变与激励电压的关系

Fig.2 Relationship between γ_d and U_E of polymers （p=400 kPa）

2.3 高聚物动剪切模量的影响因素分析

2.3.1 围压对动剪切模量的影响

不同密度下，围压对高聚物动剪切模量与动剪应变关系的影响规律相似，故本文仅以ρ=0.352 g/cm³试样为例进行阐释.不同围压下高聚物动剪切模量与动剪应变关系见图3. 由图3可见：随着动剪应变的增大，高聚物动剪切模量呈线性减小；相同动剪应变下，高聚物动剪切模量随着围压的增大而增大；当围压由300 kPa增加到400 kPa、400 kPa增加到500 kPa时，高聚物动剪切模量增速先快后慢.这是因为在围压作用下高聚物的泡孔结构会相互挤压致密，产生单位动剪应变时所需要的动剪应力更大，从而使高聚物的动剪切模量增大；动剪应变越大，高聚物动剪切模量的增幅随着围压的增大而增大.由此可见，动剪应变越大，对高聚物动剪切模量影响的“围压效应”越明显.

图3 不同围压下高聚物动剪切模量与动剪应变的关系

Fig.3 Relationship between G_d and γ_d of polymers at different confining pressures（ρ=0.352 g/cm³）

2.3.2 动剪应变、围压和密度对动剪切模量的耦合影响

不同围压下密度对高聚物动剪切模量-动剪应变关系的影响见图4.由图4可见：密度越大，高聚物动剪切模量的降低速率随着动剪应变的增加而增大，表现为G_d~γ_d线性关系的斜率随着密度的增大而增大；在较高围压及相同动剪应变下，密度越大的高聚物，其动剪切模量越大，这是因为密度越大，单位体积内泡孔数量越多，高聚物抗剪切变形的能力就越强，其动剪切模量就越大；在低围压50、100 kPa下，动剪应变较小时，高聚物动剪切模量随着密度的增大而增大（见区域C），但当超过某一“应变阈值”时，高密度高聚物的动剪切模量反而随着密度的增大而减小（见区域D）.这是因为较低围压时，高聚物泡孔基本保持自由发泡的联结状态，受围压影响较小，此时又因高密度高聚物泡孔之间存在较大的自由空间，受载初始，动剪切模量较大，随着外加载荷的增大高聚物动剪应变迅速增大，致使其动剪切模量快速降低.由此可见，动剪应变、密度和围压三者对高聚物动剪切模量存在显著的“耦合影响效应”.

图4 不同围压下密度对高聚物动剪切模量-动剪应变关系的影响

Fig.4 Effect of density on the relationship between G_d and $γ$ _d of polymers at different confining pressures

2.3.3 密度与动剪切模量的函数关系

动剪应变为0.01%时，不同围压下高聚物动剪切模量与密度的函数关系见图5.由图5可见，在不同围压下，密度越大，高聚物的动剪切模量越大，其抵抗剪切变形的能力越强，即刚度越大.根据曲线变化趋势，当p≤100 kPa时，用多项式函数来拟合；当p≥200 kPa时，用一次函数来拟合.得到不同围压p下的动剪切模量 $G_{d} |_{p}$ 与 $ρ$ 的关系式为：

G_{d} |_{p} = a + b ρ + c ρ^{d}

，p

\leq

100 kPa

（3）

G_{d} |_{p} = A + B ρ^{}

，p

\geq

200 kPa

（4）

式中：a、A为动剪切模量常数，MPa；b、c、B为动剪切模量系数，MPa·cm³/g；d为幂指常数.

图5 不同围压下高聚物动剪切模量与密度的函数关系

Fig.5 Relationship between G_d and ρ of polymers at different confining pressures（ $γ$ _d=0.01%）

拟合得到的G_d‑ρ关系式也列于图5，其可用于工程实际中快速计算不同围压条件下由不同密度高聚物构成的减震隔振层的动剪切模量.

2.4 高聚物阻尼比的影响因素分析

2.4.1 围压对阻尼比的影响

阻尼比是阻尼系数与临界阻尼系数之比.一方面反馈了地震（振动）能量在材料内部因错动摩擦而耗能的情况；另一方面反映了波动在材料内部传播的衰减大小.错动量越大、传播途径越多，阻尼比越大.不同密度下，围压对高聚物动剪应变-阻尼比关系的影响规律相似，本节仅以密度ρ为0.122、0.250、0.396 g/cm³的试样为例进行阐释.

不同密度下围压对高聚物阻尼比-动剪应变关系的影响见图6.由图6可见：在相同密度下，随着动剪应变的增大，高聚物阻尼比均先迅速增大后缓慢增大，这是因为前期在外加载荷增大的过程，泡孔胞体之间的摩擦面积迅速增大，消耗能量较快，表现为阻尼比值增大较快，后期泡孔胞体间继续发生挤压，此时接触面积增加较小，增加消耗能量较少，阻尼比增加较慢；动剪应变相同时，随着围压的增大，高聚物阻尼比逐渐减小，这是因为随着围压的增大，高聚物泡孔胞体的接触愈加充分，振动波的传播越快，能量损耗越少，高聚物阻尼比越小；当围压由100 kPa增加到300 kPa、300 kPa增加到400 kPa时，高聚物阻尼比的降速先快后慢，这是因为当围压较低时，随着围压的增加，一方面低密度高聚物泡孔胞体接触开始逐渐紧密，另一方面高密度高聚物泡孔胞体首先经历“自由区”然后逐渐接触，高聚物泡孔胞体间的接触还处于“次紧密接触阶段”，此时阻尼比降低较快；当围压较高时，随着围压的增加，此时高聚物泡孔胞体已处在“充分紧密接触阶段”，因此阻尼比降低较慢.

图6 不同密度下围压对高聚物阻尼比-动剪应变关系的影响

Fig.6 Effect of confining pressure on the relationship between D and $γ$ _d of polymers at different densities

2.4.2 围压和密度对阻尼比的耦合影响

不同围压下密度对高聚物阻尼比-动剪应变关系的影响见图7. 由图7可见，低围压（p=50 kPa）下，ρ=0.122 g/cm³的高聚物阻尼比最小，ρ=0.396 g/cm³的高聚物阻尼比最大；高围压（p=200、500 kPa）下，ρ=0.122 g/cm³的高聚物阻尼比仍最小，ρ=0.250 g/cm³的高聚物阻尼比最大.由此可见，并不是密度越大阻尼比越大.随着围压的增大，较低密度（ρ为0.250、0.307 g/cm³）高聚物的阻尼比逐渐超过较高密度（ρ为0.352、0.396 g/cm³）的高聚物. 这是因为在低围压条件下，低密度高聚物各泡孔胞体之间的接触面较大，错动较小，且波动传播途径单一，因而阻尼比较小，高密度聚合物反之；随着围压的增大，高密度聚合物泡孔胞体间的自由区域越来越小，接触愈加充分，其阻尼比越来越小.ρ=0.250 g/cm³的高聚物因泡孔间的相互作用力使得其泡孔间保持了一定间隙，保证了泡孔胞体间的错动摩擦与波动传播衰减，两者“耗能之和”最大，因而该密度高聚物阻尼比最大，表现出“耗能最优”. 综上，密度和围压对高聚物的阻尼比存在显著的“耦合影响效应”.

图7 不同围压下密度对高聚物阻尼比-动剪应变关系的影响

Fig.7 Effect of density on the relationship between D and $γ$ _d of polymers at different confining pressures

3 结论

（1）随着动剪应变的增大，高聚物喷涂材料的动剪切模量呈线性减小，阻尼比先迅速增大后缓慢增加；相同密度条件下，当围压由300 kPa增加到400 kPa、400 kPa增加到500 kPa时，高聚物喷涂材料动剪切模量的增速先快后慢；当围压由100 kPa增加到300 kPa、300 kPa增加到400 kPa时，高聚物喷涂材料阻尼比的降速先快后慢.

（2）在低围压50、100 kPa下，较小动剪应变时，高聚物喷涂材料的动剪切模量随着密度的增大而增大，但当其动剪应变超过某一“应变阈值”时，高密度高聚物喷涂材料的动剪切模量随着密度的增大而减小；动剪应变、围压和密度三者对高聚物喷涂材料动剪切模量存在“耦合影响效应”；围压和密度对高聚物喷涂材料阻尼比存在显著的耦合影响效应；不同围压下高聚物喷涂材料密度与动剪切模量函数关系式可用于工程实际中快速计算不同围压条件下由不同密度高聚物喷涂材料构成的减震隔振层的动剪切模量.

（3）高聚物耗能依靠泡孔间的错动摩擦和对波动传播的衰减两者共同作用，较高围压下，密度为0.250 g/cm³高聚物喷涂材料的“耗能之和”最大，其阻尼比最大，表现出耗能最优.

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