CN113720698A - 一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，涉及浸水聚氨酯抗压强度计算领域，具体包括以下步骤：建立浸水聚氨酯的粘弹性分析模型，分析水、空气以及聚氨酯基质在单轴压缩试验时抵抗的压缩力，利用与其等效的均匀应力代替浸水聚氨酯的抗压强度，结合分段法，确定水和空气在聚氨酯不同浸水阶段中对抗压强度的影响，建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，可定量分析在水和空气含量变化时，浸水聚氨酯抗压强度的变化情况。本发明引入粘弹性理论，分析作为多相复合材料的浸水聚氨酯的抗压强度，并分段考虑水和空气对抗压强度的不同作用，能够计算不同浸水阶段聚氨酯的抗压强度，有效预测聚氨酯的使用寿命。

Description

一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法

技术领域：

本发明涉及浸水聚氨酯抗压强度计算领域，具体涉及一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法。

背景技术：

硬质聚氨酯由于其快速膨胀、重量轻和良好的机械性能等优异性能，被广泛用作大坝修补、道路维护和建筑物基础加固中的防水材料。然而，硬质聚氨酯在实际应用中不可避免地会受到水的影响，从而影响其机械性能，尤其是抗压强度，对其后期的正常使用造成不利影响。因此，有必要研究浸水聚氨酯在服役期间的压缩性能。

现有的对浸水聚氨酯的研究，主要考虑水与聚氨酯基质两种材料，把影响浸水聚氨酯抗压强度的因素分为水与聚氨酯基质两个方面，忽略了实际工程中，空气在非饱和阶段对浸水聚氨酯抗压强度的影响，使得对浸水聚氨酯抗压强度的分析不够完善，即使少部分研究中考虑到空气对浸水聚氨酯抗压强度的影响，但并未建立完善的强度预测模型来实现对浸水聚氨酯抗压强度的定量分析，缺少水和空气的含量对抗压强度具体影响的研究。

因此，本发明将浸水聚氨酯考虑成一个含有水、空气、聚氨酯基质的多相复合材料，引入粘弹性理论，分析粘性的水和空气以及弹性的聚氨酯基质对浸水聚氨酯抗压强度的影响，并将聚氨酯的浸水过程分段化，分析水和空气对非饱和阶段浸水聚氨酯抗压强度的增加作用，以及水对饱和阶段浸水聚氨酯抗压强度的削弱作用，以此建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，实现对浸水聚氨酯抗压强度的定量分析，完善现有研究的不足之处。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，建立同时考虑聚氨酯基质、水和空气的抗压强度的预测模型，实现对浸水聚氨酯抗压强度的定量分析。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，包括以下步骤；

(1)浸水聚氨酯是含有聚氨酯基质、水、空气的多相复合材料，将粘弹性理论引入到浸水聚氨酯中，建立含有多相复合材料的浸水聚氨酯的粘弹性分析模型；

(2)对不同密度和浸水时间的聚氨酯进行单轴压缩试验，得到聚氨酯的抗压强度以及抗压强度和密度、浸水时间的关系；

(3)由浸水聚氨酯的粘弹性分析模型知，在浸水聚氨酯的单轴压缩试验中，聚氨酯基质、水、空会共同抵抗压缩力，具体表现为：F＝F_M+F_W+F_A；

式中：F—浸水聚氨酯试件承受的压缩力；F_M—聚氨酯基质承受的压缩力；F_W—水承受的压缩力；F_A—空气承受的压缩力；

(4)根据单轴压缩试验时浸水聚氨酯上的压力梯度，利用达西定律，求出单轴压缩试验时，浸水聚氨酯试件所承受的压缩力F，并利用等效的均匀应力对其进行替代；

(5)计算出聚氨酯在不同状态下的等效均匀应力：

①干燥的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

②浸水饱和阶段的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

式中：

—干燥的聚氨酯承试件承受的等效均匀应力；σ_M—聚氨酯基质承受的等效均匀应力；μ₁—水的粘度；μ₂—空气的粘度；L—浸水聚氨酯试件的边长；h—浸水聚氨酯试件的高度；Φ—浸水聚氨酯的孔隙率(％)；k_e—线弹性渗透率；

—浸水饱和的聚氨酯承受的等效均匀应力；F—聚氨酯承受的压缩力。

(6)结合浸水聚氨酯的粘弹性分析模型和分段法，建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型：

式中：σ—浸水聚氨酯承受的等效均匀应力；Δσ_W—非饱阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值；Δσ_M—非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值；Δσ'_M—饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值。

综合考虑水与空气在聚氨酯浸水的非饱和阶段对抗压强度的增强作用、水解对聚氨酯的不利影响；

(7)根据步骤(5)得到非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值Δσ_W，根据步骤(2)中的试验数据，拟合出非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ_M、饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ'_M；

综上，确定聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型：

式中：M_t—吸水率(％)；ρ—浸水聚氨酯的密度；t—浸水时间；α—浸水聚氨酯中水的比例(％)；

(8)根据聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，计算出实际工程中的浸水聚氨酯的抗压强度，并结合所承受的压力，验算是否满足工程需求。

优选的技术方案，在所述步骤(2)中，浸水聚氨酯单轴压缩试验包括以下步骤：

①根据工程实际应用，选择合适的聚氨酯密度；

②选用等体积比的多异氰酸酯和聚醚多元醇，利用反应注射成型的方法，制备聚氨酯试件；

③根据规范要求，利用预应力浸水试验法，制备不同密度和不同浸水时间的聚氨酯，通过计算吸水率，并将其分为非饱和浸水聚氨酯与饱和浸水聚氨酯，供单轴压缩试验使用；

所述吸水率计算公式为：

式中：ω₀—干燥聚氨酯试样的质量(g)；ω_t—浸水t时间后的聚氨酯试样质量(g)；

④对不同密度和浸水时间的聚氨酯试件，进行单轴压缩试验，得到抗压强度以及抗压强度和密度、浸水时间的关系。

优选的技术方案，所述预应力浸水试验法为将聚氨酯试件浸在不同深度的水中，通过调节浸水深度，得到不同压力作用时的浸水聚氨酯试件。

优选的技术方案，所述步骤(2)中，在浸水聚氨酯单轴压缩试验时，抗压强度的取值为浸水聚氨酯应变达到10％所承受的压缩应力。

优选的技术方案，在所述步骤(7)中，非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值

非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

有益效果：

本发明公开了一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，具有以下优点：

(1)本发明在浸水聚氨酯的抗压强度分析中引入粘弹性理论，建立含有聚氨酯基质、水和空气等多相复合材料的浸水聚氨酯的粘弹性分析模型，确定水和空气与浸水聚氨酯抗压强度之间的关系，用包含多相复合材料的等效均匀应力代替聚氨酯的抗压强度，便于建立完整的浸水聚氨酯抗压强度预测模型，实现浸水聚氨酯抗压强度变化的定量分析。

(2)与传统的聚氨酯浸水模型相比，本发明同时考虑到水和空气在不同浸水阶段对聚氨酯抗压强度的影响，建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，具体分析在聚氨酯的非饱和浸水阶段，水和空气对抗压强度起到的增强作用，在聚氨酯的饱和浸水阶段，水对抗压强度起到不利影响，能够实现工程应用中对浸水聚氨酯抗压强度变化定量分析，同时，该抗压强度预测模型符合实际工程中聚氨酯的状态，有助于预测浸水聚氨酯在工程中的使用寿命，还可以对已有工程中浸水聚氨酯的抗压强度进行验算。

(3)与传统的真空条件下制备浸水聚氨酯相比，本发明利用预应力浸水试验法制备浸水聚氨酯，通过调节聚氨酯浸水时的深度，获得不同压力作用下的浸水聚氨酯，操作简单，不会加速破坏聚氨酯内部的泡孔壁，避免无关因素对浸水聚氨酯抗压强度的影响，同时，在不同压力下对聚氨酯浸水，更加接近工程实际中的聚氨酯浸水环境。

(4)本发明不仅考虑到聚氨酯的不同浸水阶段中，水对聚氨酯抗压强度的不利影响，同时还量化了此影响导致的聚氨酯抗压强度的具体下降值，有助于预测聚氨酯在使用中的实际寿命；

(5)本发明对不同密度和浸水时间的聚氨酯进行单轴压缩试验，得到聚氨酯抗压强度随浸水时间的变化情况、聚氨酯密度对其抗压强度的影响，便于分析水和空气影响聚氨酯抗压强度的原因，还可以根据试验结果中密度和抗压强度之间的关系，选用合适密度的聚氨酯应用于实际工程中。

附图说明：

1、图1是本发明的流程图；

2、图2是本发明的预应力浸水试验法示意图；

图中：1—聚氨酯试件；2—水溶液；3—挡板；4—档杆。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，包括以下步骤；

(1)浸水聚氨酯是含有聚氨酯基质、水、空气的多相复合材料，将粘弹性理论引入到浸水聚氨酯中，建立含有多相复合材料的浸水聚氨酯的粘弹性分析模型；

(2)对不同密度和浸水时间的聚氨酯进行单轴压缩试验，浸水聚氨酯单轴压缩试验包括以下步骤：

①根据工程实际应用，在57.6kg/m³至110.2kg/m³的范围内选择聚氨酯的密度；

②选用等体积比的多异氰酸酯和聚醚多元醇，利用反应注射成型的方法，制备尺寸为70mm×70mm×70mm的聚氨酯试件；

③根据规范要求，利用预应力浸水试验法，制备不同密度下不同浸水时间的聚氨酯，通过计算吸水率，并将其分为非饱和浸水聚氨酯与饱和浸水聚氨酯，供单轴压缩试验使用，且将聚氨酯试件浸在不同深度的水中，通过调节浸水深度，得到不同压力作用时的浸水聚氨酯试件；

所述吸水率计算公式为：

式中：ω₀—干燥聚氨酯试样的质量(g)；ω_t—浸水t时间后的聚氨酯试样质量(g)；

④对不同密度和浸水时间的聚氨酯试件，利用液压万能试验机，在25℃下以10mm/min的位移速率进行了单轴压缩试验，分别得到其抗压强度，且抗压强度取为浸水聚氨酯应变达到10％所承受的压缩应力。

(3)由浸水聚氨酯的粘弹性分析模型知，在浸水聚氨酯的单轴压缩试验中，聚氨酯基质、水、空会共同抵抗压缩力，具体表现为：F＝F_M+F_W+F_A；

式中：F—浸水聚氨酯试件承受的压缩力；F_M—聚氨酯基质承受的压缩力；F_W—水承受的压缩力；F_A—空气承受的压缩力；

(4)根据单轴压缩试验时浸水聚氨酯上的压力梯度，利用达西定律，求出单轴压缩试验时，浸水聚氨酯试件所承受的压缩力F，并利用等效的均匀应力对其进行替代；

(5)计算出聚氨酯在不同状态下的等效均匀应力：

①干燥的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

②浸水饱和阶段的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

式中：

—干燥的聚氨酯承试件承受的等效均匀应力；σ_M—聚氨酯基质承受的等效均匀应力；μ₁—水的粘度；μ₂—空气的粘度；L—浸水聚氨酯试件的边长；h—浸水聚氨酯试件的高度；Φ—浸水聚氨酯的孔隙率(％)；k_e—线弹性渗透率；

—浸水饱和的聚氨酯承受的等效均匀应力；F—聚氨酯承受的压缩力；

(6)结合浸水聚氨酯的粘弹性分析模型和分段法，建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型：

式中：σ—浸水聚氨酯承受的等效均匀应力；Δσ_W—非饱阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值；Δσ_M—非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值；Δσ'_M—饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值；

综合考虑水与空气在聚氨酯浸水的非饱和阶段对抗压强度的增强作用、水解对聚氨酯的不利影响；

(7)根据步骤(5)得到非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值Δσ_W，根据步骤(2)中的试验数据，可以拟合出非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ_M、饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ'_M；

其中，非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值

非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

综上，确定聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型：

式中：M_t—吸水率(％)；ρ—浸水聚氨酯的密度；t—浸水时间；α—浸水聚氨酯中水的比例(％)；

(8)根据聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，计算出实际工程中的浸水聚氨酯的抗压强度，并结合所承受的压力，验算是否满足工程需求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.本发明公开一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法包括以下步骤：

(1)将粘弹性理论引入到浸水聚氨酯中，建立含有多相复合材料的浸水聚氨酯的粘弹性分析模型；

(2)对不同密度和浸水时间的聚氨酯进行单轴压缩试验，得到聚氨酯的抗压强度以及抗压强度和密度、浸水时间的关系；

(3)确定浸水聚氨酯承受的压缩力的与聚氨酯基质承受的压缩力、水承受的压缩力、空气承受的压缩力的关系；

(4)根据单轴压缩试验时浸水聚氨酯上的压力梯度，利用达西定律，求出单轴压缩试验时，浸水聚氨酯试件所承受的压缩力F，并利用等效的均匀应力对其进行替代；

(5)计算出聚氨酯在干燥条件下和净水饱和条件下聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力；

(6)结合浸水聚氨酯的粘弹性分析模型和分段法，建立聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，综合考虑水与空气在聚氨酯浸水的非饱和阶段对抗压强度的增强作用、水解对聚氨酯的不利影响；

(7)根据上述步骤得到非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值Δσ_W，拟合出非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ_M、饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值Δσ'_M，确定聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型；

(8)根据聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型，计算出实际工程中的浸水聚氨酯的抗压强度，并结合所承受的压力，验算是否满足工程需求。

2.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中浸水聚氨酯单轴压缩试验包括以下步骤：

①根据工程实际应用，选择合适的聚氨酯密度；

②选用等体积比的多异氰酸酯和聚醚多元醇，利用反应注射成型的方法，制备聚氨酯试件；

③根据规范要求，利用预应力浸水试验法，制备不同密度和不同浸水时间的聚氨酯，通过计算吸水率，并将其分为非饱和浸水聚氨酯与饱和浸水聚氨酯，供单轴压缩试验使用；

所述吸水率计算公式为：

式中：ω₀—干燥聚氨酯试样的质量(g)；ω_t—浸水t时间后的聚氨酯试样质量(g)；

④对不同密度和浸水时间的聚氨酯试件进行单轴压缩试验，得到抗压强度以及抗压强度和密度、浸水时间的关系。

3.根据权利要求2所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述预应力浸水试验法，为将聚氨酯试件浸在不同深度的水中，通过调节浸水深度，得到不同压力作用时的浸水聚氨酯试件。

4.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在浸水聚氨酯单轴压缩试验时，抗压强度的取值为浸水聚氨酯应变达到10％所承受的压缩应力。

5.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中的浸水聚氨酯承受的压缩力的关系公式为F＝F_M+F_W+F_A；

式中：F—浸水聚氨酯试件承受的压缩力；F_M—聚氨酯基质承受的压缩力；F_W—水承受的压缩力；F_A—空气承受的压缩力。

6.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(5)中计算聚氨酯在不同状态下的等效均匀应力的方式分别为：

①干燥的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

②浸水饱和阶段的聚氨酯试件在单轴压缩试验时承受的等效均匀应力为：

承受的压缩力

式中：

—干燥的聚氨酯承试件承受的等效均匀应力；σ_M—聚氨酯基质承受的等效均匀应力；μ₁—水的粘度；μ₂—空气的粘度；L—浸水聚氨酯试件的边长；h—浸水聚氨酯试件的高度；Φ—浸水聚氨酯的孔隙率(％)；k_e—线弹性渗透率；

—浸水饱和的聚氨酯承受的等效均匀应力；F—聚氨酯承受的压缩力。

7.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(6)中的预测模型为：

式中：σ—浸水聚氨酯承受的等效均匀应力；Δσ_W—非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值；Δσ_M—非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值；Δσ'_M—饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值。

8.根据权利要求1所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(7)中，非饱和阶段水引起的聚氨酯抗压强度增加值

非饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

饱和阶段水解引起的聚氨酯抗压强度减少值

9.根据权利要求8所述的一种基于强度预测的浸水聚氨酯抗压强度定量分析方法，其特征在于，所述步骤(7)中聚氨酯在不同浸水阶段的抗压强度预测模型为：

式中：M_t—吸水率(％)；ρ—浸水聚氨酯的密度；t—浸水时间；α—浸水聚氨酯中水的比例(％)。

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