橋梁纜索用HDPE壽命研究現(xiàn)狀*

張彬玢 張鴻琪

1 概述

HDPE在1956年就已推出,它具有密度較大,力學(xué)強(qiáng)度、熔點(diǎn)和硬度較高的特點(diǎn),同時(shí)可應(yīng)用各種先進(jìn)技術(shù)改善和提高HDPE的其他性能。近50年來,HDPE在土木工程行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛,橋梁工程中應(yīng)用是以HDPE為基料的纜索熱擠護(hù)套用料,其中添加了 2.5%左右的炭黑并已加入了抗氧劑以保持HDPE加工和成型后的熱穩(wěn)定性,使之具備吸濕性小、耐磨性好、耐寒性好、耐化學(xué)藥品性好、易加工及良好的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性等優(yōu)點(diǎn)。但是它存在提前開裂這一普遍的問題。開裂與HDPE材料性質(zhì)、幾何外形都有關(guān)系。在橋梁拉索護(hù)套上使用的HDPE還受到包括大氣老化與受力因素的綜合作用。因此需要找出對應(yīng)這些條件下HDPE護(hù)套應(yīng)力開裂壽命和老化壽命的方法。

2 HDPE的破壞

HDPE護(hù)套的開裂可以歸為以下三種原因[1]:1)第三方損傷。2)節(jié)點(diǎn)破壞。3)材料失效。第三方損傷是由一些不規(guī)范的施工方式造成的。節(jié)點(diǎn)破壞可能是由于HDPE與錨固端的連接方式不合理或者材料缺陷導(dǎo)致的熔融結(jié)合瑕疵。與材料失效和聚合物的材性、制作過程錯誤等有關(guān)。

HDPE的開裂存在兩種破壞形態(tài):脆性和延性。延性破壞過程會伴隨著宏觀屈服現(xiàn)象。延性破壞時(shí)間由蠕變速率決定;脆性破壞過程會伴隨著裂紋增長。這兩種過程同時(shí)進(jìn)行,最終失效取決于在一定應(yīng)力、溫度和刻痕深度下,哪個過程發(fā)展的更快。

3 應(yīng)力開裂機(jī)理

3.1 微觀機(jī)理

Lustiger曾提出一個簡單模型來描述HDPE材料[2]:

HDPE材料包含有序結(jié)晶性區(qū)域和無定形區(qū)域兩部分,結(jié)晶區(qū)域包括稱為片晶的褶皺晶層,它們被無定形區(qū)域分隔開來。晶層間的聚合物鏈在變形時(shí)起關(guān)鍵作用。晶層間有三種這樣的鏈:纖毛、松散環(huán)和分子結(jié)。Lustiger模型的關(guān)鍵點(diǎn)就是分子結(jié)在破壞過程中的作用。當(dāng)應(yīng)力較小,分子結(jié)會慢慢解開并隨時(shí)間松弛,因此應(yīng)力開裂破壞發(fā)生在片晶之間。圖1顯示了這個過程,斷裂面呈現(xiàn)脆性破壞的特征。

3.2 宏觀機(jī)理

銀紋可以被認(rèn)為是應(yīng)力開裂的宏觀表現(xiàn)。銀紋(損傷區(qū))就是裂紋尖部張開和纖維拉伸開的區(qū)域。圖2表示銀紋的結(jié)構(gòu)。破壞過程可以分成幾步。首先,在刻痕末端施加荷載后立即形成銀紋。在銀紋的末端,材料的局部屈服產(chǎn)生了塑性區(qū)。

微纖維承受應(yīng)力,隨著時(shí)間的推進(jìn),微纖維伸長導(dǎo)致銀紋緩慢增長。銀紋區(qū)域微纖維的斷裂使裂紋增長。當(dāng)微纖維減少到臨界值時(shí),材料就完全破壞了。

4 應(yīng)力開裂實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室采用加速法模擬SCG過程。最常用的方法包括應(yīng)力集中(刻痕),升高溫度,改變環(huán)境,施加高應(yīng)力或者疲勞荷載。常見HDPE應(yīng)力開裂實(shí)驗(yàn)方法見表1。

5 HDPE應(yīng)力開裂壽命預(yù)測方法

5.1 斷裂力學(xué)方法

分析HDPE的開裂通常采用線彈性斷裂力學(xué)(LEFM),許多學(xué)者研究了應(yīng)力強(qiáng)度因子K和裂紋增長率之間的關(guān)系,提出了一些半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?但是多數(shù)斷裂力學(xué)模型中裂紋增長率的穩(wěn)定性只有在增長速率達(dá)到或者超過10-9m/s時(shí)才成立[10],但實(shí)際的裂紋增長速率遠(yuǎn)低于那個值。LEFM方法不方便計(jì)入蠕變效應(yīng)[11]也使它無法預(yù)測HDPE的開裂行為。

表1 常見應(yīng)力開裂實(shí)驗(yàn)方法

5.2 轉(zhuǎn)換法

Boltzmann提出了線性粘彈性基本方程,其應(yīng)用之一就是時(shí)溫等效原理(簡稱TTS)。

其中,aT為時(shí)間溫度轉(zhuǎn)換系數(shù),可以通過 Williams-Landel-Ferry(WLF)方程得到:

其中,C1,C2均為常數(shù)。

TTS假定材料結(jié)構(gòu)在測試過程中不改變,而且只有材料低于熔點(diǎn)溫度下的線性變形范圍內(nèi)才有效,溫度會影響微晶體的運(yùn)動,當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)時(shí),PE的晶體結(jié)構(gòu)就會改變,而且高溫會導(dǎo)致材料重結(jié)晶,小的晶體會生成大晶體。因?yàn)闇囟葘Y(jié)晶度有影響,單獨(dú)對曲線進(jìn)行水平轉(zhuǎn)換不能得到連貫的主曲線。我們需要對曲線同時(shí)進(jìn)行水平和豎向轉(zhuǎn)換,即雙向轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換因子表達(dá)如下[12,13]:

其中,aT為水平轉(zhuǎn)換系數(shù);bT為豎向轉(zhuǎn)換系數(shù);T為實(shí)驗(yàn)室測試溫度;Tr為任意參考溫度或者目標(biāo)溫度。

5.3 反應(yīng)速率法

瑞典化學(xué)家Arrhenius發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率的對數(shù)是溫度倒數(shù)的函數(shù),認(rèn)為溫度變化不會引起材料較大的結(jié)構(gòu)變化?？梢杂孟铝蟹匠瘫硎?

其中,k為動力學(xué)速率常數(shù);k0為動力學(xué)速率指前常數(shù);E為表觀活化能;R為氣體常數(shù),取8.314 J/mol;T為絕對溫度。

從Arrhenius方程引申出如下反應(yīng)速率法模型[17],這也被ASTM和ISO規(guī)范采用:

其中,t為實(shí)驗(yàn)溫度下的失效時(shí)間;σ為施加的應(yīng)力;T為實(shí)驗(yàn)溫度;A,B,C均為常數(shù)。

6 大氣老化

抗應(yīng)力開裂能力僅僅從物理性質(zhì)方面規(guī)定了對HDPE的要求,但是一些橋梁實(shí)際運(yùn)營過程中HDPE始終暴露在大氣環(huán)境中,大氣環(huán)境中的輻射、溫度會使 HDPE發(fā)生劣化。老化后HDPE的實(shí)際抗應(yīng)力開裂能力降低。這種化學(xué)變化對使用性能影響不可忽視,甚至直接決定了護(hù)套的使用壽命。

大氣老化的作用可以通過化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度,推導(dǎo)出某物理性能指標(biāo)達(dá)到一定值時(shí)的時(shí)間與試驗(yàn)地點(diǎn)的光能量和環(huán)境溫度的關(guān)系式,即壽命方程。利用已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,就可以預(yù)報(bào)HDPE在任意地點(diǎn)的壽命。下面的公式可以用來描述HDPE的老化壽命[7]:

其中,t為某一性能指標(biāo)達(dá)到某一定值的時(shí)間,例如拉伸強(qiáng)度或者伸長率保持70%的時(shí)間;T為戶外暴露試驗(yàn)地點(diǎn)的年平均溫度;Q為戶外暴露試驗(yàn)地點(diǎn)的太陽年均總輻射量;A,B均為常數(shù)。

7 結(jié)語

橋梁纜索設(shè)計(jì)借用電纜護(hù)套使用標(biāo)準(zhǔn),要求纜索護(hù)套使用壽命達(dá)到25年,在近年HDPE性能得以改善和提高后,考慮到換索、纏包、涂裝維護(hù)和維修成本較大,橋梁纜索護(hù)套設(shè)計(jì)提出了50年壽命的使用要求[8]。但實(shí)際上由于護(hù)套直接暴露在大氣環(huán)境中,大氣老化使材料性能退化,同時(shí)HDPE護(hù)套隨纜索受力,在SCG和老化的共同作用下,護(hù)套的實(shí)際使用壽命難以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。今后應(yīng)針對橋梁纜索HDPE護(hù)套的實(shí)際受力情況和使用環(huán)境進(jìn)行深入的研究,找出能夠判斷其使用壽命的方法,從而為橋梁的安全使用提供可靠的數(shù)據(jù)。

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