魏随旺
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
消防给水管道作为消防作业中的重要组成部分，在现代生活中应用较为广泛，无论是穿过地下室外墙、构筑物墙壁，还是屋面等具有防水要求的位置都需要设计给水流速不应大于7 m/s的消防给水管道，且由于消防给水管道需要穿过不同的建筑物，往往在安装过程中需要进行胶接处理。消防给水管道的胶接主要是指采用胶粘剂通过一系列物理/化学反应将消防给水管道的基底材料粘接在一起，实现不同部位的胶接[1-3]。该工艺相较于传统的铆接、焊接等具有操作简单、对基底材料影响较小等优点[4]，在现代消防给水管道的连接技术中具有良好的应用前景。比如消防给水管道中的钢丝网骨架复合塑料管，当其采用粘接技术后，在接口强度、耐高温、抗老化和防渗漏等方面有明显优势，可以应用于自动喷水灭火系统轻危险级、中危险级工程中，安装方便且可以减少结构荷载要求等。然而，消防给水管道的使用环境较为复杂，需要长期经历高温、腐蚀介质和老化环境[5]，这就给消防给水管道用胶粘剂提出了更高的要求。虽然传统胶粘剂在单一环境因素下，如温度、载荷等作用下的应用性能的研究已有报道，但是在多因素耦合作用下(温度+荷载+老化时间等)的使用性能的研究报道较少[6-8]，具体作用机理也不清楚。为了模拟现实生活中消防给水管道胶粘剂的使用环境，本文考察了温度、荷载和老化时间多因素耦合作用下消防给水管道胶粘剂的蠕变和拉伸性能，结果有助于提升消防给水管道粘接技术提升和改进，消除胶粘剂应用过程中的误区，避免消防给水管道由于胶粘剂问题而出现失效。
1.1 试验材料
试验原料为消防给水复合管道粘接用3MTMScotch-Weld 2216环氧胶粘剂，其特性：呈紫色，无气味，粘性流体，抗拉强度38 MPa、断后伸长率18%，固化方式为热固性，黏度为36 Pa·s。
1.2 试样制备
根据EN ISO 527—2—2012《塑料-拉伸性能的测定——第2部分:成型和挤出塑料的试验条件》将胶粘剂制备成图1所示尺寸。具体过程中包括[9]：将双组分3MTMScotch-Weld 2216环氧胶粘剂混合均匀并消除内部气泡，将混合均匀的胶粘剂注入哑铃型塑料模具中；
然后将模具转入平板硫化机中进行98 ℃、60 min的固化处理，设定压力为2.5 MPa，固化后空冷至室温。
图1 环氧树脂胶粘剂试件尺寸示意图Fig.1 Size diagram of epoxy resin adhesive test piece
1.3 测试方法
为了弄清楚消防给水管道粘接过程中的注意事项及其影响规律，共设计了5组试样，具体如表1所示。
表1 胶粘剂试样的试验方案Tab.1 Test scheme of adhesive sample
由表1可知，第1组为室温对照组试样；
第2组为50 ℃+未加载试样；
第3组为50 ℃+加载试样；
第4组为80 ℃+未加载试样；
第5组为80 ℃+加载试样，该组试样在蠕变6 h时就发生了蠕变破坏，发生完全失效，这主要与其温度远高于试件的玻璃化转变温度(67 ℃)有关[10]。加载时只施加静态拉伸试样25%抗拉强度的载荷，老化时间分别为5、10和15 d，老化温度设定为室温、50 ℃和80 ℃。在MTS-810型液压伺服万能材料试验机上进行蠕变和静态拉伸实验[11-12]，测试温度为室温。
2.1 蠕变应变-时间曲线
图2为消防给水管道胶粘剂的蠕变-时间曲线，分别列出了50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变应变-时间关系及拟合曲线。
图2 消防给水管道胶粘剂的蠕变-时间曲线Fig.2 Creep time curve of fire water supply pipeline adhesive
从图2可以看出，50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变应变-时间关系的变化趋势基本相同，二者的蠕变曲线基本都分为3个阶段：第1个阶段，试样的蠕变应变会随着时间的延长快速增加，但是应变速率呈现逐渐减小特征；
第2个阶段成为稳态蠕变阶段，这个阶段的特征是蠕变应变会随着时间延长而均匀增加；
第3个阶段的蠕变应变会随着时间快速增加，这个阶段对应加速蠕变阶段[13-14]。对比分析可知，在相同蠕变时间下，加载试件的蠕变应变要比相同温度下未加载时间的蠕变应变要更大；
当老化时间为120 d时，2种时间的蠕变应变分别为1.89%和5.49%，继续延长蠕变时间，2种试样的蠕变应变都会继续增大，但是加载试件的蠕变应变要始终大于未加载试件。从50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变应变-时间关系可知，无论是加载状态还是未加载状态，胶粘剂试件都会发生蠕变，只是蠕变程度和速率不同。
采用Origin软件对50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变应变-时间关系曲线进行拟合，可分别得到50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变拟合曲线：
ε=0.135×t-0.79
(1)
ε=0.005×4.6662.82×t-0.82
(2)
式中:ε为蠕变应变;t为蠕变时间[15]。
2.2 载荷对应力-应变曲线的影响
图3为不同载荷下消防给水管道胶粘剂的应力-应变曲线，分别列出了载荷为5、10和15 N时胶粘剂试样的位移-载荷曲线。
图3 不同载荷下消防给水管道胶粘剂的应力-应变曲线Fig.3 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different loads
从图3(a)可以看出，当老化时间为5 d时，50 ℃+加载试样的位移要明显小于50 ℃+未加载试样，但是前者的极限荷载明显更大；
从图3(b)可以看出，当老化时间为10 d时，50 ℃+加载试样的位移要小于50 ℃+未加载试样，但是前者的极限荷载更大；
从图3(c)可以看出，当老化时间为15 d时，50 ℃+加载试样的位移要略大于50 ℃+未加载试样，而前者的极限荷载略小。由此可见，对于加载试样和未加载试样，其位移和极限荷载会随着老化时间发生改变，在老化时间为10 d及以下时，50 ℃+加载试样的位移要小于50 ℃+未加载试样，极限荷载要大于50 ℃+未加载试样；
老化时间为10 d以上时，50 ℃+加载试样的位移要大于50 ℃+未加载试样，极限荷载要小于50 ℃+未加载试样。
2.3 温度对应力-应变曲线的影响
图4为不同温度下消防给水管道胶粘剂的应力-应变曲线，分别列出了老化时间为5、10和15 d时胶粘剂试样的位移-载荷曲线。
图4 不同温度下消防给水管道胶粘剂的应力-应变曲线Fig.4 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different temperatures
从图4(a)可以看出，当加载载荷为5 N时，50 ℃+未加载试样的位移要明显大于80 ℃+未加载试样，但是前者的极限荷载明显更小；
从图4(b)可以看出，当加载载荷为10 N时，50 ℃+未加载试样的位移要小于80 ℃+未加载试样，且是前者的极限荷载也更小；
从图4(c)可以看出，当加载载荷为15 N时，50 ℃+未加载试样的位移要明显小于80 ℃+未加载试样，但是前者的极限荷载明显更大。由此可见，对于加载试样和未加载试样，其位移和极限荷载会随着温度发生改变，在老化时间为5 d时，50 ℃+未加载试样的位移要大于80 ℃+未加载试样，极限荷载要小于80 ℃+未加载试样；
老化时间为10 d以上时，50 ℃+加载试样的位移和极限荷载要小于50 ℃+未加载试样；
老化时间为15 d以上时，50 ℃+未加载试样的位移要小于80 ℃+未加载试样，极限荷载要大于80 ℃+未加载试样。
2.4 老化时间对应力应变的影响
2.4.1应力-应变曲线
图5为不同老化时间下消防给水管道胶粘剂的应力-应变曲线，分别列出了50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的位移-载荷曲线。
(a)50 ℃+未加载
(b)50 ℃+加载
(c)80 ℃+未加载图5 不同老化时间下消防给水管道胶粘剂的 应力-应变曲线Fig.5 Stress strain curve of fire water supply pipeline adhesive under different aging times
从图5(a)可以看出，对于50 ℃+未加载试样，老化时间越长位移越小、极限荷载越大；
从图5(b)可以看出，对于50 ℃+加载试样，极限位移从大至小顺序依次为：老化时间5 d、老化时间10 d、老化时间15 d；
极限荷载从大至小顺序依次为：老化时间10 d、老化时间5 d、老化时间15 d；
从图5(c)可以看出，对于80 ℃+未加载试样，极限位移从大至小顺序依次为：老化时间5 d、老化时间10 d、老化时间15 d，极限荷载从大至小顺序依次为：老化时间10 d、老化时间15 d、老化时间5 d。由此可见，对于50 ℃+加载试样和80 ℃+未加载试样，老化时间为10 d时试样具有最大的极限荷载，老化时间为5 d时具有最大的极限位移，老化时间为15 d时极限荷载和极限位移都较小；
这主要与此时胶粘剂试样都发生了过老化有关[16-19]。
2.4.2蠕变应变和拉伸失效强度
表2为消防给水管道胶粘剂试样的蠕变应变和拉伸失效强度统计结果。
表2 消防给水管道胶粘剂试样的蠕变应变 和拉伸失效强度统计结果Tab.2 Statistical results of creep strain and tensile failure strength of fire water supply pipeline adhesive samples
由表2可知，对照组试样的蠕变应变为0%、拉伸失效强度为19.06 MPa。当老化时间为5 d时，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的蠕变应变分别为1.89%、5.48%和0%，拉伸失效强度分别为24.68、19.68和25.20 MPa；
当老化时间为10 d时，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的蠕变应变分别为2.09%、6.31%和0%，拉伸失效强度分别为27.43、31.06和28.18 MPa；
当老化时间为15 d时，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的蠕变应变分别为2.25%、6.71%和0%，拉伸失效强度分别为29.55、28.50和25.97 MPa。由此可见，与对照组试样相比，经过5 d老化处理后，消防给水管道胶粘剂试样的拉伸失效强度有不同程度升高；
继续进行10 d老化处理后，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的拉伸失效强度会进一步提高；
当老化时间为15 d时，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的拉伸失效强度会有所减小，这也就说明老化时间太长会降低消防给水管道胶粘剂试样的拉伸失效强度。此外，对于50 ℃+未加载和50 ℃+加载试样，随着老化时间从5 d延长至15 d时，消防给水管道胶粘剂试样的蠕变应变会不断增大，且在相同温度和老化时间下，50 ℃+未加载试样的蠕变应变要小于50 ℃+加载试样。这也就说明加载会在一定程度增加消防给水管道胶粘剂试样的蠕变应变[20]。
(1)无论是加载状态还是未加载状态，消防给水管道粘接用50 ℃+加载、50 ℃+未加载胶粘剂试件都会发生蠕变，只是蠕变程度和速率不同。采用Origin软件对50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变应变-时间关系曲线进行拟合，可分别得到50 ℃+加载、50 ℃+未加载试样的蠕变拟合曲线；
(2)在老化时间为10 d及以下时，消防给水管道粘接用50 ℃+加载试样的位移要小于50 ℃+未加载试样，极限荷载要大于50 ℃+未加载试样；
而老化时间为10 d以上时，50 ℃+加载试样的位移要大于50 ℃+未加载试样，极限荷载要小于50 ℃+未加载试样。对于50 ℃+加载试样和80 ℃+未加载试样，老化时间为10 d时，试样具有最大的极限荷载；
老化时间为5 d时具有最大的极限位移；
而老化时间为15 d时，极限荷载和极限位移都较小；
(3)与对照组试样相比，经过5 d老化处理后，消防给水管道胶粘剂试样的拉伸失效强度有不同程度升高，继续进行10 d老化处理后，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的拉伸失效强度会进一步提高；
但是当老化时间为15 d时，50 ℃+未加载、50 ℃+加载和80 ℃+未加载试样的拉伸失效强度会有所减小。