引言
塑性嵌缝密封材料作为抽水蓄能电站混凝土面板接缝止水密封材料，在保障大坝运行安全方面发挥着重要作用。近年来，在国家加快推进抽水蓄能电站建设的背景下，严寒地区抽水蓄能电站的建设数量逐渐增多，严寒低温环境对接缝止水密封材料的耐低温性能提出了更高要求。
针对上述材料低温变硬的缺点，本研究以有机硅树脂为基体材料，制备了在-40 ℃条件下仍具有良好塑性变形能力和黏结性能的有机硅塑性嵌缝密封材料，并参照DL/T 949—2005《水工建筑物塑性嵌缝密封材料技术标准》，研究了硅微粉用量对有机硅塑性嵌缝密封材料各项性能的影响，为严寒区抽水蓄能电站面板接缝止水提供适宜的塑性嵌缝密封材料，保障大坝的运行安全奠定基础。
1 实验部分
1.1 实验原料
有机硅树脂（LBH-001），二甲基硅油（BH-200），工业级，北京北化工程技术有限公司；硅微粉（GSF-2S），工业级，安徽格锐新材料科技有限公司；纳米碳酸钙，工业级，上海亮江钛白化工制品有限公司；气相二氧化硅（Wacker N20），工业级，瓦克化学气相二氧化硅（张家港）有限公司；萜烯树脂，工业级，广西三峰集团林化树脂厂；流变助剂（Tech-9605），工业级，上海泰格聚合物技术有限公司；钛白粉，工业级，廊坊蓝科化工有限公司；防霉剂（M-1099），工业级，广州雷斯曼新材料科技有限公司。
1.2 实验仪器
针入度测定仪（KN-269），凯能仪器有限公司；电加热真空捏合机（容积1 L），烟台正丰机械制造有限公司；水工密封材料流动仪（DLY-10），天津市美特斯试验机厂；微机控制电子万能试验机（CMT4503），美特斯工业系统（中国）有限公司；下垂度试验仪（XCD-2），北京中科路达试验仪器有限公司。
1.3 样品制备
将质量100份有机硅树脂、450~650份硅微粉和140份二甲基硅油分批交替加入捏合机中，150 ℃捏合45 min，然后加入50份纳米碳酸钙、5份萜烯树脂、0.05份流变助剂、10份钛白粉、2份防霉剂和0.5份气相SiO2，继续捏合105 min，得到有机硅塑性嵌缝密封材料。硅微粉加入量为450份、500份、550份、600份和650份的样品编号分别为A1、A2、A3、A4和A5。样品制备完成后，密闭储存1 d后进行性能测试。
1.4 测试与表征
1.4.1 密度
参照GB/T 1033.1—2008，采用浸渍法进行测试，样品温度分别设置为-40 ℃、25 ℃和70 ℃。
1.4.2 针入度
参照GB/T 4509—2010，使用沥青针入度测定仪进行测试，测试温度分别设置为-40 ℃、25 ℃和70 ℃。
1.4.3 浸泡质量损失率
参照DL/T 949—2005，制作标准试样，每个试样测3次，结果取平均值。
1.4.4 拉伸黏结性
参照DL/T 949—2005，制作标准水泥砂浆板试件，使用微机控制电子万能试验机分别测试试件在-40 ℃、25 ℃和70 ℃处理后的拉伸黏结性能。
1.4.5 下垂度
参照GB/T 13477.6—2002，采用“试验步骤A”中所述测试方法，使用下垂度试验仪进行测试。
1.4.6 流动止水长度
参照DL/T 949—2005，使用水工密封材料流动仪测试。
2 结果与讨论
2.1 硅微粉用量对密度的影响
硅微粉密度为2.65 g/cm3，在其他组分用量不变（其他组份用量按1.3节所述配比加入）的情况下，增加硅微粉用量直接导致有机硅塑性嵌缝密封材料密度的增加，具体情况如图1 所示。
由图1 可以看出，当硅微粉用量由450份增加至650份时，材料密度由1.58 g/cm3增加至1.99 g/cm3，增加了26%。还可以看出，添加相同硅微粉用量的条件下，有机硅塑性嵌缝密封材料的密度随温度升高略微减小，温度由-40 ℃升高至70 ℃时，密度变化最大量为0.033 g/cm3。材料密度随温度升高而减小，主要是由于温度升高使得分子运动剧烈程度增大、材料体积增大，从而造成密度下降［4］。
2.2 硅微粉用量对针入度的影响
针入度反映塑性嵌缝密封材料的软硬程度［5］；针入度越大，材料硬度越小，反之材料硬度越大。硅微粉用量对有机硅塑性嵌缝密封材料针入度的影响如图2 所示。
由图2 可知，随着硅微粉用量的增加，有机硅塑性嵌缝密封材料的针入度逐渐减小。当硅微粉用量由450份增加至650份，温度为-40 ℃时，针入度由305.1（0.1 mm）减小至81.0（0.1 mm），减小幅度为73%；温度为25 ℃时，针入度由325.0减小至124.2，减小幅度为62%；温度为70 ℃时，针入度由366.2减小至145.9，减小幅度为60%。可见，在低温（-40 ℃）条件下，有机硅塑性嵌缝密封材料的针入度受硅微粉用量的影响更为明显。相同硅微粉用量的情况下，针入度随温度的降低逐渐减小，材料硬度逐渐增大。一方面，低温使得有机硅树脂分子链运动能力降低、构象重排困难、松弛时间增加，表现为材料变硬［6］；另一方面，低温也可能导致有机硅树脂分子链出现冷结晶，导致材料变硬 ［7］。
2.3 硅微粉用量对浸泡损失率的影响
有机硅塑性嵌缝密封材料耐久性对水工建筑物的使用寿命起到关键作用［8］，其在蒸馏水、饱和Ca（OH）2溶液及10%NaCl溶液中浸泡3 600 h后的质量损失率如表1 所示。
表1 有机硅塑性嵌缝密封材料在不同水介质中的浸泡损失率Table 1 Immersion loss rate of organosilicon plastic joint sealing materials in different aqueous media |
| 样品名称 | 浸泡质量损失率/% | ||
|---|---|---|---|
| 蒸馏水 | 饱和Ca（OH）2溶液 | 10%NaCl溶液 | |
| A1 | 0.09 | 0.41 | 0.11 |
| A2 | 0.14 | 0.40 | 0.16 |
| A3 | 0.12 | 0.33 | 0.27 |
| A4 | 0.11 | 0.31 | 0.28 |
| A5 | 0.12 | 0.21 | 0.16 |
由表1 可知，不同硅微粉用量下的有机硅塑性嵌缝密封材料在蒸馏水及10%NaCl溶液中浸泡3 600 h后浸泡质量损失率均小于0.3%，在饱和Ca（OH）2溶液中浸泡质量损失率相对较大，但均小于0.5%。有机硅树脂一般呈现弱酸性，pH为5~7，在碱性饱和Ca（OH）2溶液长期暴露后可能促进硅氧键水解，结构稳定性受到破坏致使硅橡胶发生分解，导致浸泡损失率相对较大［9］。有机硅塑性嵌缝密封材料的浸泡质量损失率远小于DL/T 949—2005规定的2%，表明其具有良好的水稳定性，在水、碱、盐等溶液中浸泡下不会发生分散、分离。
2.4 硅微粉用量对拉伸黏结性能的影响
拉伸黏结性能测试可以得到有机硅塑性嵌缝材料的断裂伸长率和界面破坏形式。断裂伸长率反映材料的塑性变形能力，断裂伸长率越大，塑性变形能力越强；界面破坏形式反映材料内聚强度与黏结强度的大小关系，若界面破坏形式为黏结破坏，表明内聚强度大于黏结强度；若界面破坏形式为内聚破坏，表明黏结强度大于内聚强度。硅微粉用量对有机硅塑性嵌缝密封材料断裂伸长率的影响如图3 所示，界面破坏形式如图4 所示。
由图3 可以看出，随着硅微粉用量的增加，断裂伸长率均先增大后减小，当硅微粉用量为550份时，断裂伸长率最大，测试温度为-40 ℃、25 ℃和70 ℃时对应的最大断裂伸长率分别为1 158%、1 298%和1 499%。当硅微粉含量低于550份时，硅微粉不易发生团聚，用量增加可以阻止材料内部微观裂纹的扩展［10-11］，有利于提高拉伸黏结性能；而硅微粉用量高于550份时，硅微粉团聚造成的缺陷占主导地位［12-13］，使得拉伸黏结性能变差。此外还可以看出，测试温度越低，有机硅塑性嵌缝密封材料的断裂伸长率越小，相对于70 ℃，-40 ℃时的断裂伸长率减小了29.45%~70.51%，但仍高于300%，表明材料具有优异的低温塑性变形能力。
2.5 硅微粉用量对下垂度和流动止水长度的影响
下垂度是评估塑性嵌缝密封材料高温稳定性的重要指标；流动止水长度反映塑性嵌缝密封材料在水压力作用下，流入并淤满张开的接缝空腔的能力［16］。上述两项指标随硅微粉用量的变化情况如表2 所示。
表2 不同硅微粉用量的有机硅塑性嵌缝密封材料的下垂度及流动止水长度Table 2 Droop and flow stop length of organosilicon plastic joint sealing materials with different amounts of silica micropowder |
| 硅微粉用量/份 | 下垂度/mm | 流动止水长度/mm |
|---|---|---|
| 450 | 7.4 | 214 |
| 500 | 3.6 | 187 |
| 550 | 1.3 | 165 |
| 600 | 1.1 | 143 |
| 650 | 0.6 | 94 |
3 结论
硅微粉作为有机硅塑性嵌缝密封材料的一种重要无机填料，在材料中用量较大，其用量对材料的使用性能有着重要影响。本文以有机硅树脂为基材制备了有机硅塑性嵌缝密封材料，研究了硅微粉用量对材料性能的影响，主要结论如下。
（1）在本实验范围内，随着硅微粉用量的增加，有机硅塑性嵌缝密封材料密度逐渐增大，针入度逐渐减小，断裂伸长率先增加后减小，下垂度和流动止水长度逐渐减小。在3种介质中浸泡质量损失率小于0.5%。
（2）随着测试温度的降低，有机硅塑性嵌缝密封材料的密度略微增大，针入度和断裂伸长率逐渐减小，拉伸黏结性能变差。
（3）当硅微粉用量为550份时，有机硅塑性嵌缝密封材料的综合性能最优，此时其下垂度为1.3 mm，流动止水长度为165 mm；在-40 ℃时的针入度为200.3（0.1 mm），断裂伸长率超过1 150%，拉伸过程中与混凝土界面黏结良好。