竹复合压力管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法

技术领域

本发明属于竹复合压力管材料领域，更具体地，涉及一种竹复合压力 管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法。

背景技术

竹材料是可再生的绿色环保材料，近年来随着竹复合压力管相关技术 的日益成熟(例如，中国专利文献CN101571213A、CN202327397U)，竹复 合管作为一种能够承受一定压力的管道，在给排水工程、石油化工防腐等 场合中能够普遍替代聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃钢管、玻璃钢夹砂管等， 具有良好的应用前景。

东北是我国重要的粮食产区，受高纬度影响，存在不少深季节冻土区。 在深季节冻土区，冻胀对农田基本建设破坏现象十分严重，低压管道输水 灌溉系统的输配水能力由于地基土冻胀、融沉、冰冻、供水主管冻裂和长 期冻融循环等影响会发生破坏，影响水源和输配水工程和效益的正常发挥。 另外，在季节性冻土区，浅埋的低压输水管道穿过冻土地区，沿途水系、 森林、沼泽和冻土区间隔分布、地质条件复杂，冬季极端气温可达-30℃， 运行风险较大。因此，确定低压输水管道系统在冻融循环作用下的冻胀适 应性对管道在深季节性冻土区能否应用、以及应用的方式具有重要意义。

导热系数(Thermalconductivity)又称热导率或热传导系数，是表 征物质导热能力的热物理量，其定义是在单位温度梯度的作用下，单位时 间内通过物料单位面积所传导的热量，单位是W/(m·℃)。一般来说，管道 材料的导热系数都比较高，若想达到保温的效果，需通过管道外面的保温 材料(保温材料的导热系数不能超过0.12W·m^-1·℃^-1，高效保温材料的 导热系数不能超过0.05W·m^-1·℃^-1)。

尽管导热系数能够体现材料的导热能力，但由于冻胀作用成因复杂， 现有技术中往往无法仅依据管道的导热系数得出管道的冻胀适应性，导热 系数无法直接体现管道在冻融循环作用下的冻胀适应性，冻胀适应性的测 试还需要实地实验后才能获得。此外，竹复合压力管由于其管道的结构和 组成与已有的其他种类的管道不同，其冻胀适应性与已有的管道冻胀适应 性数据缺乏可比性，因此缺乏除实地实验外的其他手段对竹复合压力冻融 循环作用下的冻胀适应性进行测试，冻胀适应性判定困难。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种竹 复合压力管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法，其中通过对其关键 的试样选取原则、测试步骤、冻胀适应性判定等进行改进，与现有技术相 比能够有效解决竹复合压力管冻胀适应性判定困难的问题，并且该测试方 法操作方便，在实验室条件下就可对竹复合压力管的冻胀适应性是否合格 作出判定，对实际施工具有良好的指导意义。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种竹复合压力管在冻融循环 作用下的冻胀适应性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)试样的制备：

将竹复合压力管切割成面积不少于100cm²的试样；

(2)测量试样的导热系数：

在T₁温度下测量所述试样的导热系数κ₁，所述T₁在-30℃～-5℃范围内； 在T₂温度下测量所述试样的导热系数κ₂，所述T₂在10℃～30℃范围内；

(3)判定冻胀适应性：

根据所述步骤(2)中的κ₁和κ₂判定竹复合压力管的冻胀适应性，

其中当所述κ₁和κ₂均不大于0.2W/mK时，该竹复合压力管的冻胀适 应性合格；

当所述κ₁和κ₂中的任意一项大于0.2W/mK时，则该竹复合压力管的 冻胀适应性不合格。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)还包括在至少一个其他温度 T_i下测量所述试样的导热系数κ_i，所述T_i在-30℃～30℃范围内，T_i≠T₁且 T_i≠T₂，其中所述i为大于等于3的自然数；

根据所述κ₁、T₁、κ₂、T₂、κ_i和T_i拟合导热系数κ与温度T的线性关 系，得到κ＝a×T+b；则竹复合压力管的冻胀适应性合格还应满足使所述a 不大于0.0035。

作为本发明的进一步优选，当i＝3时，所述T_i为0℃。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中的竹复合压力管为待测竹 复合压力管或者与该待测竹复合压力管对应的竹复合压力管放大管，记所 述待测竹复合压力管的公称直径为D₀，

当D₀大于等于200mm时，则所述试样取自所述待测竹复合压力管；

当D₀小于200mm时，则所述试样取自所述竹复合压力管放大管；

所述竹复合压力管放大管的公称直径D′满足D′≥200mm，其与所述待 测竹复合压力管公称直径D₀的比值为λ，λ＝D′:D₀；该竹复合压力管放大 管的环刚度与待测竹复合压力管环刚度的比值为λ。

进一步优选的，所述竹复合压力管放大管的压力等级与所述待测竹复 合压力管压力等级的比值为λ。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)在测量导热系数前，所述试 样在对应的温度下放置至少24小时。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)竹复合压力管的切割采用硬 质合金刃具或砂轮片。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过测试竹复 合压力管试样在不同温度下的导热系数，对竹复合压力管在冻融循环作用 下的冻胀适应性调节机理进行模拟，能够准确对竹复合压力管的冻胀适应 性进行判定。

本发明分别在T₁、T₂的温度下测量试样的导热系数κ₁和κ₂，T₁在 -30℃～-5℃范围内(可以优选为在-20℃～-5℃范围内)，T₂在10℃～30℃ 范围内，能够对竹复合压力管在冻、融两种条件下的状态进行模拟。尽管T₁选择在-30℃～-5℃范围内，T₂选择在10℃～30℃范围内，但由于竹复合压 力管自身的特点，通过κ₁和κ₂就能够定性的得出-30℃～30℃整个范围内竹 复合压力管的导热系数情况，大大提高的检测效率。

优选的，通过拟合导热系数κ与温度T的线性关系κ＝a×T+b，并通 过因子a还能进一步确保竹复合压力管的冻胀适应性。为了提高拟合的准确 性，除T₁、T₂这两个温度外，还需要测量在-30℃～30℃范围内至少一个其 他温度T_i下的导热系数κ_i(i＝3,4,5,…)。因子a反应出了-30℃～30℃ 范围内热导系数的变化趋势，对于进一步准确判定竹复合压力管的冻胀适 应性具有重要意义。

另外，由于小管径的待测竹复合压力管试样弯曲度较大，不利于实际 检测，本发明对于小管径的待测竹复合压力管，采用与其对应的竹复合压 力管放大管作为试样管，通过检测该竹复合压力管放大管的导热系数，从 而得出待测的大管径竹复合压力管的导热系数，提高了检测的准确性，也 简化了实际操作。竹复合压力管放大管除管径外，其他参数(如环刚度、 压力等级等)也与待测竹复合压力管呈等比例扩大，竹复合压力管放大管 的制备过程(包括制备工艺、原材料等)均与待测竹复合压力管的制备过 程对应，确保了检测得到的导热系数的准确性。

综上，本发明通过模拟高寒地区自然降温及升温的冻融循环过程，在 室内进行模型试验，能够对冻融循环作用下的竹复合压力管冻胀适应性进 行测试，从而为在高寒区低压输水灌溉中该竹复合压力管是否能够应用提 供参考。

附图说明

图1是本发明竹复合压力管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法 的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

实施例1－2

实验采用欧洲ISOMET2104热传递特性分析仪测量竹复合压力管试样 的导热系数，环境温度为PT100温度传感器和手持式巡检仪测量；ISOMET 2104测量到的数据可通过RS232串行端口下载到电脑中。ISOMET2104热 传递特性分析仪测量-30℃～30℃范围内不同温度下的导热系数，低温环境 在低温恒温箱里进行。

图1所示为竹复合压力管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法的 流程示意图；实施例试验的步骤包括：外观检查、厚度测量、状态调节、 测量、记录。

导热系数测量试验的原理是根据材料中的温度变化，利用探头给待测 试样加热，然后周期性地测量物体热量的变化值，计算出导热系数和体积 热容量(又称体积比热、容积热容量)等相关参数，从而为竹复合压力管 在季节性冻土区是否具有保温效果和温度场的计算模拟提供依据。

实施例1的试样取自壁厚为1cm的竹复合压力管G1，G1的公称直径为 200mm；实施例2的试样取自壁厚为5cm的竹复合压力管G2，G2的公称直 径为1600mm。为了使试验更具说服力，实施例1、2中的试样均为3个，其 中实施例1的各个试样面积均为100cm²，实施例2的各个试样面积均为 100cm²。

实施例1、2主要对竹纤维在不同温度下导热系数、体积热容量、热扩 散率指标进行测量。试验结果如表1、表2、表3所示。由表1可知，随着 冻结温度的升高，竹复合压力管的导热系数升高，同一温度下，竹纤维越 厚，其导热系数越高，且导热系数和温度存在明显的线性关系。由表2可 知，竹复合压力管的体积热容量随温度的升高而增大，同一温度下，竹纤 维越厚，其体积热容量基本相当。由表3可知，竹复合压力管的热扩散率 随温度的升高而增加，同一温度下，竹纤维越厚，其热扩散率越快。

表1导热系数试验结果统计表

表2体积热容量结果统计表

表3热扩散率结果统计表

分别对实施例1、2中的三个试样在各个温度下的导热系数测量值取平 均，例如，实施例1在19.2℃对应的导热系数(W/mK)为 (0.154+0.158+0.154)/3＝0.155。由于实施例1、2在不同温度下的导热 系数值均不大于0.2W/mK，表明实施例1、2对应的竹复合压力管G1、G2 在冻融循环作用下的冻胀适应性合格。

然后，根据试验温度(℃)以及在该温度下的导热系数平均值(W/mK) 拟合得到导热系数κ与温度T的线性关系，得到κ＝a×T+b。实施例1拟 合得到的关系式为κ＝0.003×T+0.0964，实施例2拟合得到的关系式为 κ＝0.0032×T+0.1252，对应的a不大于0.0035(a的量纲为)，表 明实施例1、2对应的竹复合压力管G1、G2在冻融循环作用下均具有良好 的冻胀适应性。

实施例3

实施例3的测试仪器、以及测试条件与实施例1、2相同。实施例3对 应的待测竹复合压力管G3其公称直径为100mm。为了便于检测，选取管G3 对应的竹复合压力管放大管G3’作为试样来源，G3’管的公称直径 D＝200mm(是G3管公称直径的2倍，即比例因子λ＝2)；测量管G3和 管G3’的环刚度以及压力等级，得出管G3’的环刚度与管G3的环刚度的比 值为2，管G3’的压力等级与管G3的压力等级的比值为2。切割竹复合压力 管放大管G3’，制成面积为100cm²的试样。检测试样在T₁下的导热系数κ₁(T₁为-5℃)，在T₂下的导热系数κ₂(T₂为30℃)；测得的κ₁和κ₂均不大 于0.2W/mK，表明该竹复合压力管放大管G3’的冻胀适应性合格，即待测 竹复合压力管G3的冻胀适应性合格。

对比例1

为了验证本发明的冻胀适应性的测试方法，将冻胀适应性测试合格试 样对应的竹复合压力管作为对象，实地验证其冻胀适应性。将上述竹复合 压力管埋入实验区地下(该实验区位于黑龙江省哈尔滨市黑龙江省水利科 技试验中心水稻田处，是深季节冻土区)，并在该竹复合压力管内安装温 度传感器，从而监测管内温度。

实际的埋地管道周围温度场是由自然条件和管道温度共同作用的复合 温度场。埋地管道土壤温度场不仅受输水管道内水温的影响，而且受大气 温度季节性变化的影响，管道土壤温度场实际上是随时间变化的非周期性 非稳态温度场。为了测试季节性冻土区预埋的竹复合压力管在冻融期内温 度场的变化情况，需要对竹复合压力管内的温度和土体的温度分别进行监 测。管内温度监测将温度传感器探头绑扎，将绑扎温度传感器的铁丝从竹 复合压力管的末端开口处缓缓伸入管道内部；将铁丝抻直，并在插入管道 过程中保持铁丝平直。为防止管道端口及出水口与外界产生空气交换，将 端口及出水口用清洁的雪进行回填、密封，传感器埋深完后第二天对管内 温度进行人工监测。

试验主要监测的内容有土体的温度、竹复合压力管内温度、竹复合压 力管道的轴向环向变形、土压力、冻胀融沉变形量等，通过分析竹复合压 力管在低温下的保温特性，得出竹复合压力管在不同环境温度下热性能结 论。主要监测结果见表4。由表4可知，竹复合压力管管内温度测试结果趋 于稳定，结果在-0.5℃～0℃之间，即水的结冰点附近。

表4管道内部温度监测结果

另外，通过监测管内的温度和人工冻土场监测的地温，发现贴近竹复 合压力管外壁土壤的温度变化主要受管内介质的影响，对于管道周围其他 位置处的土壤，其温度变化的幅度由来自竹复合压力管的热量和其他外界 散失的热量决定，在整个冻融期内，竹复合压力管的温度均大于相同埋深 处土体的温度，竹复合压力管具有一定的保温作用。管内最低温度为 -0.5℃～0℃，濒临水的冻结温度，管内水没有完全发生冻结。

可见，竹复合压力管在冻融循环作用下具有良好的冻胀适应性，本发 明的竹复合压力管在冻融循环作用下的冻胀适应性测试方法与实地测试两 者结论匹配。

以上实施例中，作为与待测竹复合压力管对应的竹复合压力管放大管， 除了公称直径需要满足要求外，放大管的环刚度也需满足要求。例如，竹 复合压力管(包括待测竹复合压力管和竹复合压力管放大管)它们的环刚 度可按以下方法检测：

测试设备、测试环境及试样按照GB/T5352的规定，加载速度按式(1) 确定。按式(2)进行计算，取3个试样环刚度的算术平均值作为测试结果。

V＝3.5×10^-4D²/t…………………(1)

式中:

V——加载速度，取整数，管径大于500mm时可修约到个位数为0或 5，单位为毫米每分钟(mm/min)；

D——管的计算直径(对应外径)，单位为毫米(mm)，D＝D_n+t；

t——管壁实际测试厚度，单位为毫米(mm)；

D_n——管的内直径，单位为毫米(mm)；

S＝0.01935×F/Δy…………………(2)

式中：

S——环刚度，单位为牛每平方米(N/m²)；

Δy——管直径变化量，取试样计算直径的3％，单位为米(m)；

F——与Δy相对应的线载荷，单位为牛每米(N/m)。

当然，本发明中的放大管也可按生产过程经验，根据放大管的公称直 径、环刚度、压力等级等要求，对放大管的结构(如壁厚、内部铺层等) 进行设计，从而直接生产出符合要求的竹复合压力管放大管。本领域的技 术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制 本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。