塑料格柵低溫蠕變?cè)囼?yàn)研究

岳國(guó)峰，汪恩良

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080)

1 引言

塑料格柵具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，埋入土中后，土料即可嵌入格柵的網(wǎng)格中，加上土料與格柵表面的摩擦及其受拉時(shí)節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)阻抗作用，約束了土料顆粒的側(cè)向位移。這樣，格柵與土共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)合材料體系，大大增加了土體的穩(wěn)定性，因而起到加固巖土的作用。

蠕變是塑料土工格柵的一種重要特性，是指在不變的拉伸荷載作用下，應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)的現(xiàn)象。當(dāng)塑料土工格柵應(yīng)用于加筋土結(jié)構(gòu)時(shí)，塑料土工格柵的容許抗拉強(qiáng)度取決于蠕變、化學(xué)劑破壞、鋪設(shè)時(shí)機(jī)械破壞和生物破壞等諸多因素。其中，蠕變引起的抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)最大。例如，王釗在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，聚丙烯雙向格柵在40%T荷載的作用下，1 196 h后拉斷，拉斷時(shí)應(yīng)變達(dá)62%[1]。塑料土工格柵的蠕變特性與原材料性質(zhì)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式和拉伸荷載的大小有關(guān)，同時(shí)也受周?chē)橘|(zhì)及壓力和溫度的影響。塑料土工格柵高溫條件下的蠕變?cè)囼?yàn)前人已作了大量的工作，而寒冷地區(qū)的加筋土結(jié)構(gòu)，在漫長(zhǎng)的冬季筋材長(zhǎng)期處于負(fù)溫工況，極限溫度低于－20℃，而夏季土體溫度可能達(dá)到 +20℃以上，塑料土工格柵在低溫條件下蠕變性能如何，穩(wěn)定后的筋材在凍融循環(huán)作用下將如何演變，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。本文將著重研究塑料土工格柵的低溫蠕變性能，對(duì)上述問(wèn)題予以回答。

2 蠕變?cè)囼?yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)塑料土工格柵抗拉強(qiáng)度的測(cè)定參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 17689－1999土工合成材料 塑料土工格柵)[2]，蠕變測(cè)試參照ISO 13431:1999規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)儀器

塑料土工格柵蠕變?cè)囼?yàn)采用自制的蠕變測(cè)試儀測(cè)定，加載系統(tǒng)通過(guò)杠桿系統(tǒng)施加相應(yīng)荷載。

2.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選擇單向拉伸TGDG25型塑料格柵，其主要技術(shù)參數(shù)及力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 塑料格柵主要技術(shù)參數(shù)及力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.3 試樣制備

試樣長(zhǎng)度采用6個(gè)節(jié)點(diǎn)(5段)，寬度采用5個(gè)節(jié)點(diǎn)(5條縱向肋條)。測(cè)量變形采用1 000 mm大標(biāo)距，用鋼尺測(cè)量，精確到毫米，這樣誤差為0.1%。在兩標(biāo)距以外，標(biāo)距線距夾具25 mm，以免夾持對(duì)變形產(chǎn)生影響。

2.4 試樣的夾持方法

上下夾具結(jié)構(gòu)均為2塊鋼板，內(nèi)設(shè)防滑槽，用螺栓擰緊，夾住試樣。要求夾持均衡，不能產(chǎn)生加載后試樣受力不均勻破壞現(xiàn)象，同時(shí)防止試樣在鉗口內(nèi)打滑。夾具一端固定于底座上，另一端懸掛在杠桿加荷系統(tǒng)上。

2.5 試驗(yàn)環(huán)境

低溫試驗(yàn)在專(zhuān)用低溫試驗(yàn)室進(jìn)行，溫度控制范圍:－35℃～+25℃，控溫精度±1℃。每次將3組試樣裝置于蠕變測(cè)試儀上，控制室內(nèi)溫度和濕度，不受陽(yáng)光直射，避免紫外線照射老化。

3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)方案

按照我國(guó)對(duì)土工合成材料進(jìn)行測(cè)試的相關(guān)方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀，本次蠕變測(cè)試中固定載荷分別為拉伸強(qiáng)度的20%、40%和 60%，環(huán)境溫度分別為 20℃、10℃、0℃和 －20℃。

在分析前期試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮到凍融循環(huán)對(duì)蠕變的影響可能較小，固定荷載分別為拉伸強(qiáng)度的5%、10%、20%。試驗(yàn)時(shí)首先在20℃環(huán)境進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，待變形穩(wěn)定后進(jìn)行－20℃～20℃凍融循環(huán)條件下的蠕變?cè)囼?yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)為10次。

3.2 調(diào)濕

在試驗(yàn)前試樣應(yīng)置于濕度為65士2%、溫度為20士2℃的實(shí)驗(yàn)室中保持24 h。

3.3 加荷和應(yīng)變測(cè)量

用砝碼作為載荷，懸掛在杠桿系統(tǒng)上作為施加的拉伸荷載一次施加。

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)讀時(shí)間間距由小變大，分別測(cè)讀0.1 min，8 min，12 min，30 min，1 h，2 h，4 h，8 h，12 h，24 h的讀數(shù)，以后每間隔24 h測(cè)讀一次至1 000 h，用試樣標(biāo)距間的伸長(zhǎng)值除以試樣原始長(zhǎng)度，即為應(yīng)變值。

4 試驗(yàn)結(jié)果整理與分析

蠕變?cè)囼?yàn)最重要的成果是應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將四組溫度條件下在不同荷載作用下的蠕變過(guò)程曲線繪于圖1～圖4。

圖1 20℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖2 10℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖3 0℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

圖4 －20℃下塑料土工格柵TGDG25蠕變特征曲線

由圖1～圖4可以看出，各個(gè)溫度3個(gè)不同的荷載水平下應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線隨荷載的增加斜率逐漸增大，說(shuō)明在相同溫度下，TGDG25型塑料土工格柵的蠕變特性隨載荷的增加更加明顯。但明顯看出，隨著溫度的降低，蠕變特性受荷載的影響越顯著。圖4中曲線更加明顯，剛剛加荷后，較低荷載水平(20%Pmax)的蠕變曲線比較平緩，隨著荷載增加，應(yīng)變值迅速增大，穩(wěn)定一段時(shí)間后，又開(kāi)始產(chǎn)生變形，但很快就趨于穩(wěn)定。

分析其原因主要有兩個(gè)重要的指標(biāo)影響聚合物的蠕變特性。

第一個(gè)指標(biāo)是玻璃化溫度Tg。它是指非晶態(tài)聚合物從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，不同聚合物的Tg是不同的。例如，PET的 Tg約 75℃，PP的 Tg在 －10～15℃，HDPE的Tg約－80℃。當(dāng)聚合物的環(huán)境溫度低于其Tg時(shí)，聚合物中的非結(jié)晶區(qū)的分子處于凍結(jié)狀態(tài)，分子鍵不易移動(dòng)，蠕變性低，故聚脂的蠕變性遠(yuǎn)低于聚丙烯和聚乙烯[3]。

第二個(gè)指標(biāo)是拉伸取向。聚合物的拉伸過(guò)程分3個(gè)階段，第1階段為彈性階段;過(guò)屈服點(diǎn)后進(jìn)入第2階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈水平;當(dāng)應(yīng)變達(dá)一定值后，應(yīng)力又隨應(yīng)變而增長(zhǎng);因此，聚合物原料應(yīng)拉伸到位，進(jìn)入第3階段，后期蠕變就不明顯。所謂取向是指使分子鍵定向排列，這時(shí)聚合物呈各向異性，取向方向的強(qiáng)度大大提高了。

TGDG25型塑料土工格柵原料為HDPE，其Tg約為－80℃，隨著環(huán)境溫度降低，聚合物中的非結(jié)晶區(qū)的分子活動(dòng)能力降低，分子鍵不易移動(dòng)，所以需要較大的荷載才能使分子鍵的定向排列發(fā)生移動(dòng)，這就可以解釋為什么隨著溫度的降低，蠕變特性受荷載的影響越顯著。

為了比較同一時(shí)刻不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，將各荷載下1 min、12 h、1 000 h時(shí)的應(yīng)變值重新整理得相同荷載下應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線繪于圖5～圖7。

從圖5～圖7曲線看出，相同荷載下1 min曲線應(yīng)變值與溫度變化呈近似線形關(guān)系，1 000 h曲線從20℃降到10℃時(shí)下降尤其明顯?？梢?jiàn)，相同荷載下同一時(shí)間段應(yīng)變值隨溫度的降低而明顯降低，表明荷載對(duì)塑料土工格柵蠕變特性影響顯著。

5 結(jié)論

1)塑料格柵在不同溫度下的蠕變不同，在20℃狀態(tài)下，1 000 h后當(dāng)伸長(zhǎng)率接近14%時(shí)，60%Pmax下變形仍沒(méi)有穩(wěn)定跡象;而在－20℃ 狀態(tài)下，僅100余小時(shí)，變形就趨于穩(wěn)定，且伸長(zhǎng)率不足2.5%。可以得出結(jié)論，塑料格柵蠕變性能受溫度影響很大，并且溫度越低蠕變值越小。

2)低溫條件下塑料格柵的設(shè)計(jì)取值可以適當(dāng)減小，但設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)考慮凍融循環(huán)對(duì)蠕變性能的影響。

圖5 20%Pmax下應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線

圖6 40%Pmax下應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線

圖7 60%Pmax下應(yīng)變與溫度關(guān)系曲線

[1]王釗.土工合成材料的蠕變?cè)囼?yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16(6):96－102.

[2]全國(guó)塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 17689－2008土工合成材料塑料土工格柵[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]王釗.國(guó)外土工合成材料的應(yīng)用研究[M].香港:現(xiàn)代知識(shí)出版社，2002.